High-energy deformation of filaments with internal structure and localized torque-induced melting of DNA
我们开发了一个连续弹性的方法来检查弯曲力学的半柔性长丝与当地的内部自由度，耦合到弯曲模量。我们应用该模型研究了双链DNA寡聚体（短于其热持久长度）的非线性力学，该寡聚体的自由端由单链DNA链连接。Qu等人[Europhys.信件：$\bf{94}$，18003，2011]，显示出与在施加的扭矩下双链DNA的局部熔融相关的非线性应变软化，并用作研究在大能量变形下DNA的非线性弹性的模型系统。我们表明，可以定量地解释所观察到的弯曲力学使用增强蠕虫状链模型，螺旋线圈蠕虫状链。我们还预测，高度弯曲和部分熔融的双链DNA应该表现出特别大的端到端的波动与熔融区域的长度的波动，并提出适当的实验测试。我们认为，这里讨论的增广蠕虫状链模型是一个有用的分析方法的DNA或其他生物聚合物系统的非线性力学。
2013-02-10 cond-mat.soft
Thermal denaturation of fluctuating finite DNA chains: the role of bending rigidity in bubble nucleation
文献中的统计DNA模型通常是有效的模型，其中仅考虑碱基对状态（未断裂或断裂）。由于一系列断裂键或气泡的有效抗弯刚度与双链状态相比降低了30倍，因此需要在更一般的介观模型中包含分子构象自由度。在本文中，我们这样做，提出了一个一维伊辛模型，它描述了内部的碱基对状态，耦合到一个离散的蠕虫状链模型描述链配置[J. Palmeri，M. Manghi和N. Destainville，Phys. Rev. Lett. 99，088103（2007）]。这个耦合模型是完全解决使用传输矩阵技术，提出了一个类似的路径积分处理的量子双原子分子。当链波动被整合出来时，变性转变温度和宽度自然地出现为一个明确定义的哈密顿量的模型参数的显式函数，揭示了该转变是由气泡和双链段之间的弯曲（熵主导）自由能的差异驱动的。计算的熔解曲线（开放碱基对的分数）是在良好的协议与实验熔解曲线的polydA-polydT。预测的均方半径作为温度的函数的变化导致一个连贯的新的解释实验观察到的热粘度转变。最后，详细研究了DNA链长度的影响，强调了有限尺寸效应的重要性，即使是由几千个碱基对组成的DNA。
2007-09-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Relaxation of DNA curvature by single stranded breaks: Simulations and experiments
最近提出的压缩骨架理论表明，DNA中的固有曲率可能是由特定骨架长度和最佳碱基堆积方向之间的几何失配引起的。它预测，在A束重复的曲率可以通过引入单链断裂（切口）放松。这种效应以前没有被测试过，也不能用DNA弯曲的替代模型来解释。在这里，在一个专门设计的一系列切口DNA片段的曲率进行了测试实验，凝胶迁移率测定，同时，通过自由分子动力学模拟。单链断裂对随机序列DNA的凝胶迁移率几乎没有影响。与此相反，切口A-道片段揭示了一个规则的调制曲率取决于相对于整体弯曲的链断裂的位置。当切口出现在A束内时，观察到最大松弛。模拟结果部分再现。计算弯曲的DNA构象的分析揭示了一组糖原子，表现出减少的骨架长度内的A-道，这可以对应于压缩假说。
2003-11-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Stiffening Thermal Membranes by Cutting
二维结晶膜最近已经在实验上实现了石墨烯和二硫化钼等系统，引发了对它们的统计特性的兴趣。热波动可以显著影响适当热化的膜的有效机械性能，使弯曲刚度和弹性模量重新归一化，使得特别地，它们变得比它们的裸弯曲刚度更难弯曲。我们使用分子动力学模拟来研究如何热化的二维夹持带（杠杆）的力学行为取决于其精确的拓扑结构和几何形状。我们发现，一个简单的狭缝平滑粗糙度测量的高度波动的方差。这种违反直觉的效果可能是由于狭缝的唇缘在带的完整区域中扭转的相反姿势的耦合。
2017-06-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Sequence-dependent Three Interaction Site (TIS) Model for Single and Double-stranded DNA
我们开发了一个强大的粗粒度模型为单链和双链DNA表示每个核苷酸的三个相互作用位点（TIS）位于质量中心的糖，磷酸盐和碱。由此产生的TIS模型包括碱基堆积，氢键，静电相互作用以及键拉伸和键角电位，占DNA的聚合物的性质。拉伸和弯曲电位的力常数的选择是由玻尔兹曼反演程序使用一个大的代表性的一组DNA结构提取的蛋白质数据库。使用学习程序计算堆叠相互作用中的一些参数，这确保了忠实地再现实验测量的二聚体的熔融温度。在没有任何进一步调整的情况下，基于TIS模型的计算再现了实验测量的单链DNA（ssDNA）的大小的盐和序列依赖性，以及聚（dA）和聚（dT）链的持久长度。有趣的是，在施加机械力时，聚（dA）的延伸表现出一个平台，我们追踪到堆叠的螺旋结构域的形成。与此相反，聚（dT）的力-延伸曲线（FEC）是熵的起源，并可以通过一个标准的聚合物模型来描述。我们还表明，双链DNA的持久长度与基于蠕虫状链的预测是一致的。的持久长度，随着盐浓度的增加而减少，是符合Odijk-Skolnick-Fixman理论，旨在为刚性链杆极限附近。在仅基于PDB结构和二聚体的解链曲线的初始构建之后不需要调整任何参数的应用范围证明了ssDNA和dsDNA的TIS模型的可转移性和稳健性。
2018-02-05 cond-mat.soft q-bio.BM
Monte Carlo implementation of supercoiled double-stranded DNA
采用Metropolis蒙特卡罗模拟研究了双链DNA在扭转应力作用下的弹性，其中扭转和超螺旋是碱基堆积相互作用和DNA互补碱基间形成的氢键约束的主链弯曲的自然结果.在拉伸-扭转和/或力-拉伸曲线中发现了三个明显的区域：低力区域，在该区域中，过缠绕和欠缠绕分子在拉伸下的行为相似;中等力区域，在该区域中，负超螺旋和正超螺旋DNA都出现手性，而欠缠绕分子的拉伸对聚合物的超螺旋程度不敏感;和一个大的力量制度，其中plectonemic DNA完全转化为扩展的DNA和超螺旋DNA的行为很像一个无扭转分子。扭转拉伸DNA的理论计算和最近的实验测量之间的惊人一致性[Strick et al.，Science { \bf 271}，1835（1996），Biophys. J. { \bf 74}，2016（1998）]强烈表明，碱基堆积相互作用和永久氢键约束之间的相互作用在理解超螺旋DNA聚合物的弹性的新性质中起重要作用。
1999-11-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Softening of DNA near Melting as Disappearance of an Emergent Property
在熔融转变附近的弯曲弹性常数，$κ$，双链DNA（dsDNA）的一个新兴的属性，被证明不遵循棒状缩放小长度$N$。$κ$随温度的降低由连续转变的变性气泡确定，例如，当两股为高斯型时，但对于排除了体积相互作用的股，在一级跃迁时，在开口端附近的Y型构型中的断裂键。在后一种情况下，杠杆规则是可操作的，这意味着相共存，尽管已知dsDNA是单相。
2020-11-11 cond-mat.soft
Probing the elastic limit of DNA bending
细胞内的许多结构，如核小体和蛋白质介导的DNA环，都含有急剧弯曲的双链DNA。因此，强dsDNA弯曲的能量学构成了细胞热力学的重要组成部分。尽管蠕虫状链模型很好地描述了长dsDNA的热机械行为，但这种弹性行为的长度限制仍然存在争议。为了研究强dsDNA弯曲的能量学，我们使用荧光共振能量转移（FRET）测量轮廓长度为40-200 bp的小dsDNA环的打开速率。从测得的循环稳定性循环大小的关系，我们观察到两个独立的弯曲制度之间的过渡在一个临界循环大小低于100 bp。在此环路尺寸以上，环路寿命以与弹性弯曲应力一致的方式随着环路尺寸的减小而减小。然而，在临界环尺寸以下，环寿命对环尺寸变得不那么敏感，表明双螺旋软化。仅用钠测得临界环大小为约60 bp，用5 mM镁测得临界环大小为约100 bp，这表明镁促进软化转变。我们表明，我们的结果是在定量协议的扭结蠕虫状链模型。此外，我们的数据约束的模型参数可以重现先前测量的J因子之间的50和200 bp。我们的工作为研究dsDNA在强弯曲区的弯曲提供了强有力的手段。
2014-05-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Nonaffine rubber elasticity for stiff polymer networks
我们提出了一个理论的弹性交联刚性聚合物网络。刚性聚合物与柔性聚合物不同，是高度各向异性的弹性物体。与机械梁类似，刚性聚合物在弯曲时容易变形，而它们在拉伸力（“拉伸”）方面更硬。与以前的方法不同，网络弹性来自拉伸模式，我们的理论正确地解释了软弯曲响应。一个自洽的有效介质的方法是用来计算宏观弹性模量从微观表征的变形场的“软盘模式”-低能量弯曲激发，保持高度的非亲和性。表征出现的非亲和性的长度尺度由"纤维长度“$l_f$给出，定义为聚合物保持直的尺度。计算的剪切模量的标度特性与最近在二维模型网络中获得的模拟结果非常一致。此外，我们的理论可以应用于合理化散装流变学数据重构肌动蛋白网络。
2007-11-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Strand diffusion-limited closure of denaturation bubbles in DNA
利用布朗动力学模拟和解析方法研究了预平衡DNA变性气泡的闭合动力学。数值模型由两个半柔性相互作用的单链（ssDNA）和弯曲模量，这取决于碱基对状态，双链DNA（dsDNA）段比ssDNA的硬50倍。当DNA长度从N=20到100个碱基对（bp），气泡的初始大小为N-6 bp时，发现闭合时间较长，为0.1到4微秒，遵循N ^[2.4]的比例定律。气泡开始通过快速压缩而闭合，当气泡达到长度约10 bp的高度弯曲的亚稳态时停止。完成闭合的限制性最终步骤由dsDNA“臂”旋转扩散控制，一旦它们几乎对齐就发生闭合。链弯曲，这不能占在一维模型中的核心作用，从而照亮。
2012-03-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Effects of Kinks on DNA Elasticity
研究了具有可逆扭结结构缺陷的蠕虫状高分子链的弹性响应。这是一个通用的模型（a）双链DNA与某些蛋白质的结合诱导的急剧弯曲，和（b）在单链DNA的骨干trans-gauche旋转的影响。这个问题是解决了解析和数值推广众所周知的类比量子旋转器。在小的拉伸力制度，我们发现，由于扭结的存在，持续长度重整化。在相反的区域，对强拉伸的响应仅由裸持续长度决定，并由于“扭结的理想气体”而进行指数修正。在链条的高弯曲刚度的极限下，这种高力特性显著改变。在这种情况下，对机械响应的主要校正可能是由于多扭结结构（例如扭结对）的形成。
2005-02-28 cond-mat.soft q-bio.BM
Rigidity of Melting DNA
研究了在拉伸力和解压缩力存在下DNA柔性的温度依赖性。考虑两类模型。在一种情况下，弹性的起源是熵，由于聚合物的相关性，而在另一种情况下，双链DNA被认为具有弯曲的固有刚性。在这两种情况下，单链都是完全柔性的。由于热产生的气泡的弹性常数的变化的灵活的情况下，准确地获得。对于内禀刚性的情况下，弹性常数被发现是成正比的气泡数波动的平方根。
2016-06-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Characterizing the bending and flexibility induced by bulges in DNA duplexes
DNA纳米技术的进步刺激了对可用于控制DNA纳米结构性质的简单基序的搜索。一个这样的基序，其已被广泛用于结构，如多面体笼，二维阵列，和带，是一个凸起的双链体，这是两个螺旋段连接在一个凸起环。我们使用一个粗粒度的DNA模型来描述这种凸出的双链体。我们发现，这种基序可以采用属于两个主要类别的结构：一个是在系统中心的螺旋堆叠被保留，几何形状大致是直的，凸起在双链体的一侧，另一个是在中心的堆叠被打破，从而允许这个连接作为铰链，增加灵活性。小环有利于保持双链体中心堆叠的状态，环碱基翻转或并入双链体。具有较长环的双链体显示出更多的倾向于在凸起处解堆叠并采用开放结构。然而，当单链DNA的刚性很大并且环能抵抗压缩时，对于中间长度的环，解堆积的概率最高。这种基本结构基序的性质与某些纳米级物体的结构行为明显相关，其中与较大凸起相关的增强的柔性已用于调整自组装产物以及所得纳米结构的详细几何形状。
2014-12-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Elastic Response of Wire Frame Glasses. II. Three Dimensional Systems
我们应用第一部分中发展的简单几何方法研究了在集中的玻璃悬浮液中刚性线框颗粒对阶跃应变的弹性响应。线框颗粒由长度为$L$的细的刚性杆组成，并且它们的数密度$ρ$使得$ρL^3 \gg 1$。我们专门比较了刚性杆和由两个等长杆以直角连接而成的L形。线框的行为被发现是惊人的不同，从杆。L形颗粒的线性弹性与$ρ^3 L^6$成比例，而棒的线性弹性与$ρ$成比例，非线性响应显示在临界密度$ρ_c \sim \sqrt{K / k_B T L^6}$下从剪切硬化到剪切软化的转变，其中$K$是颗粒的弯曲模量。对于由双链DNA构成的实际粒子，这种转变发生在大约$ρL^3 \sim 10$的密度处。这些差异的原因是，线框可以被迫弯曲与周围环境的纠缠，而杆始终保持直。这被发现是非常重要的，即使是小的应变，与大多数粒子被弯曲超过一个临界应变$γ_c \sim (ρL^3)^{-1}$。
2021-02-04 cond-mat.soft
Mesoscopic models for DNA stretching under force: new results and comparison to experiments
B-DNA拉伸的单分子实验已经揭示了当增加外力时，一个或两个结构转变。它们的特征是DNA轮廓长度突然增加，弯曲刚度下降。有人提出，在60- 80 pN的力下，第一个转变是从B到S-DNA的转变，被视为拉伸的双链DNA，而在更强的力下，第二个转变是链剥离，导致单链DNA（ssDNA），类似于热变性。但由于实验条件，这两个转变可以重叠，例如对于poly（dA-dT）。本文采用耦合离散蠕虫链-伊辛模型，导出了解析公式.我们的模型考虑了弯曲刚度，链的离散性，线性和非线性（ssDNA）键拉伸。在力为零的极限下，该模型简化为我们已经建立的用于研究DNA热解链的耦合模型，与以前的变性曲线拟合参数值建立了联系。我们发现：（i）使用分析公式在纳牛顿范围内拟合ssDNA，仅具有三个自由参数，轮廓长度、弯曲模量和单体尺寸;（ii）仅通过选择0.2nm的单体尺寸，几乎比ssDNA核碱基长度小4倍，才可能在该力范围上令人惊讶地良好拟合;（iii）介观模型不能将B拟合到ssDNA（iv）在强作用力近似下，导出了适合于长DNA的B到S跃迁的解析公式，该公式与精确的转移矩阵计算结果非常吻合;（v）这个公式非常适合poly（dG-dC）和$λ$ -DNA力-延伸曲线，参数值一致;（vi）出现了一个连贯的图像，其中S到ssDNA的转换对碱基对序列比B到S的转换敏感得多。
2012-07-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
From Heteropolymer Stiffness Distributions to Effective Homopolymers: A Conformational Analysis of Intrinsically Disordered Proteins
本文采用离散化异质蠕虫状链模型研究弯曲刚度变化对聚合物构象的影响，提出将异质链映射为单一有效持久长度的同质链的理论模型，并通过Monte Carlo模拟验证，揭示了柔性片段对链刚度的主导作用及内在无序蛋白构象差异的成因。
2025-11-03 cond-mat.soft
Understanding Enhanced Mechanical Stability of DNA in the Presence of Intercalated Anticancer Drug: Implications for DNA Associated Processes
大多数抗肿瘤药物与双链DNA（dsDNA）的结合方式为嵌入结合。虽然最近已经有了实验研究，但缺乏对药物和dsDNA之间相互作用的分子水平的理解，这些相互作用导致嵌入药物的稳定性。特别令人感兴趣的是在实验中观察到的dsDNA的机械性质的修改。后者可以影响许多生物功能，如DNA转录和复制。在这里，我们探测，通过全原子分子动力学（MD）模拟，两个嵌入剂，柔红霉素和乙锭的插入药物-DNA复合物的机械性能的变化。我们发现，在药物嵌入后，DNA的拉伸模量显着增加，而其持久长度和弯曲模量下降。转向MD模拟显示，它需要更高的力来拉伸插入的dsDNA复合物比正常的dsDNA。采用不同的牵拉方法研究了力诱导的DNA解链，发现嵌入剂的存在使双链DNA的解离变得困难。这里获得的结果提供了抗癌药物的合理作用机制，即，通过改变DNA的机械性质。我们还讨论了使用这些药物的长期后果，这需要进一步的体内研究。
2019-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Elasticity of DNA and the effect of Dendrimer Binding
带负电荷的DNA可以被带正电荷的树枝状聚合物压缩，并且压缩程度是静电相互作用的强度和DNA的弹性之间的微妙平衡。我们报告各种弹性短双链DNA（dsDNA）和树枝状大分子结合的效果，使用完全原子分子动力学和数值模拟。在室温平衡状态下，dsDNA的轮廓长度分布P（L）和端-端距离分布P（R）近似为高斯分布，前者给出了dsDNA的拉伸模量γ_1的估计值，与文献值定量一致。dsDNA的弯曲角分布P（θ）也具有高斯形式，并且允许提取43 nm的持久长度L_p。当dsDNA被带正电的树枝状聚合物压实时，拉伸模量保持不变，但由于树枝状聚合物对dsDNA的骨架电荷中和，从端到端距离分布估计的有效弯曲刚度急剧下降。我们支持我们的观察与蠕虫状链（WLC）模型的数值解，以及使用非平衡dsDNA拉伸模拟。这些结果有助于理解dsDNA在短长度尺度下的弹性，以及当dsDNA结合到带电物体如树枝状聚合物或蛋白质时弹性如何被调制。
2013-07-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Statistical method for A-RNA and B-DNA
本文提出三维介观哈密顿量模型，在核苷酸水平离散表示双链核酸，结合路径积分统计方法计算碱基对呼吸涨落，揭示了DNA与RNA在扭转-拉伸关系上的相反行为，并在短尺度柔性估计上优于传统弹性杆模型。
2025-05-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
