Non-specific binding of Na$^+$ and Mg$^{2+}$ to RNA determined by force spectroscopy methods
RNA双链体的稳定性强烈依赖于离子条件，并且在细胞内RNA暴露于单价和多价离子。尽管最近的进展，我们没有一般的方法来定量说明单价和多价离子对RNA稳定性的影响，和二级结构预测的热力学参数仅在1 M [Na $^+$ ]。在这里，通过机械展开和折叠的20 bp的RNA发夹使用光镊，我们研究了RNA的热力学和动力学在不同的单价和混合单价/镁$^{2+}$盐条件。我们测量的展开和折叠断裂力，并应用Kramers理论提取准确的信息发夹自由能景观在广泛的离子条件下的张力。我们获得了非特异性的修正的RNA发夹形成的自由能和测量的距离的过渡态的折叠状态的变化与力和离子强度。我们通过实验验证了紧束缚离子模型，并获得了ssRNA的持续长度值。最后，我们测试了近似规则，通过该规则，对于小分子构建体，在给定浓度下二价阳离子的非特异性结合亲和力等于在该浓度的100倍下的单价阳离子的非特异性结合亲和力。
2012-06-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
RNA folding landscapes from explicit solvent all-atom simulations
考虑到开发现实力场的困难和采样罕见构象转变的固有计算复杂性，RNA折叠的原子详细模拟已被证明是非常具有挑战性的。为了解决这两个问题，我们扩展到RNA的增强路径采样方法以前成功地应用于蛋白质。在这个方案中，关于RNA的天然结构的信息被一个软的依赖于历史的偏置力所利用，该偏置力被添加到原子力场中，从而促进了生产性折叠轨迹的产生。在这里，我们报告的结果，在明确的溶剂中的RNA分子从20至47个核苷酸长和拓扑结构的复杂性增加的模拟。从折叠途径的统计分析中，我们推断，与蛋白质不同，即使对于具有简单拓扑结构的相对较小的链，潜在的自由能景观也显着受挫。折叠机制和热力学与现有的实验和一些现有的粗粒度模型是一致的。该方案提供了一个完整的微观表征RNA折叠，有关的动力学和动力学的转变的化学链和它的溶剂。因此，它提供了一个可转移的框架，为未来的翻译应用程序奠定了基础。
2022-05-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Unraveling RNA by Mechanical Unzipping
我们审查的基本概念和工具，机械解压缩RNA发夹使用力谱。通过使用光镊拉开RNA分子的末端，可以在不同的实验条件下测量折叠自由能。能量测量使我们能够表征RNA杂交的热力学（碱基配对和堆叠），天然和动力学（中间体和错误折叠）分子状态的形成动力学，以及与金属离子的相互作用。本文介绍了基本概念，并回顾了有关RNA力热力学，天然和屏障RNA能量景观，RNA折叠动力学的最新进展。我们强调机械解压缩实验的影响，以了解非编码RNA和极端环境中的RNA。
2023-03-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Universal Force Correlations in an RNA-DNA Unzipping Experiment
我们研究了互补RNA-DNA螺旋在外力作用下的解链，着重于力-力的相关性。而在微观层面上，这些是由序列给出的，实验测量有效的宏观相关性。后者是与序列无关的，也就是说是普适的，并且构成了无序系统的基本场论的中心对象。比较场论的预测和1-D玩具模型与实验的精确解，我们发现一个很好的协议，确认基本理论概念，通过生物启发的实验。
2020-12-17 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.BM
Kinetic barriers in RNA unzipping
我们考虑一个简单的模型，在动态加载下的RNA三级结构的展开。这种结构的打开被认为是两个步骤的过程，每个步骤对应于克服单个能量势垒。由此产生的两个障碍的能量景观占的依赖性的展开动力学上的拉动速率。此外，在中间力，这两个障碍不能区分的开放动力学的分析，这原来是由一个单一的宏观障碍，其性质取决于非平凡的两个单一的障碍。我们的研究结果表明，在含有三级结构的RNA分子上的拉伸实验中，单个动力学势垒的细节只能使用低的拉伸速率值，或在高的力制度。
2004-05-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
RNA polymerase motor on DNA track: effects of interactions, external force and torque
RNA聚合酶（RNAP）是一个移动的分子作坊，它通过一个接一个地添加单体亚基来聚合RNA分子，同时在DNA模板本身上逐步移动。在这里，我们开发了一个理论模型，将空间相互作用的RNAP和他们的机械化学周期，明确捕捉每个电机的周期性形状变化。使用这个模型，我们不仅解释了依赖于外部施加的负载力的RNAP的平均速度，但也预测的{ \it nonmotonic}变化的平均速度的外部扭矩。我们还显示了马达的空间相互作用对RNA合成总速率的影响。原则上，我们的预测可以通过进行{ \it in-vitro}实验来测试，我们在这里建议。
2009-06-04 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Computer Folding of RNA Tetraloops: Identification of Key Force Field Deficiencies
生物分子的计算机辅助折叠，特别是RNA，是计算结构生物学中最困难的挑战之一。RNA四环是RNA折叠、RNA-RNA和RNA-蛋白质相互作用中的基本RNA基序。虽然国家的最先进的分子动力学（MD）力场正确地描述了这些tetraloops作为一个稳定的自由能盆地微秒的时间尺度上的原生状态，增强的采样技术显示，原生状态是不是全球自由能最小值，这表明尚未确定的显着不平衡的力场。在这里，我们测试了我们在各种力场和模拟设置中折叠RNA四环的能力。我们采用了三种不同的增强采样技术，即，温度副本交换MD（T-REMD），副本交换与溶质回火（REST 2），以及回火metadhesics（WT-MetaD）。我们的目标是将有限的采样引起的问题与力场不准确引起的问题分开。我们发现，没有一个当代力场能够正确地描述折叠的5 '-GAGA-3'四环在一系列的模拟条件。因此，我们的目的是确定哪些条款的力场是负责这种穷人的描述TL折叠。我们发现，至少有两种不同的不平衡有助于这种行为，即，过度稳定的碱基-磷酸盐和/或糖-磷酸盐的相互作用和低估的稳定性的氢键相互作用的碱基配对。第一个伪影稳定了未折叠的整体，而第二个伪影使折叠状态不稳定。前一个问题可以通过Case等人提出的磷酸盐氧的范德华参数的重新参数化来部分缓解，而为了克服后者的影响，我们建议局部电位，以更好地捕捉氢键相互作用。
2016-09-27 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Force-induced misfolding in RNA
RNA折叠是由大量结构的竞争所控制的动力学过程，所述结构通过碱基对的瞬时形成而稳定，所述碱基对可以诱导复杂的折叠途径和错误折叠结构的形成。尽管其在现代生物物理学中的重要性，但目前对RNA折叠动力学的理解受到稳定天然结构的弱碱基对相互作用和热力学无序效应之间复杂相互作用的限制。机械拉动单个分子的可能性为理解核酸的折叠提供了新的视角。在这里，我们研究RNA二级结构中的折叠和错误折叠机制的机械力拉。我们介绍了一个模型的基础上识别的最小的一组结构，再现单分子实验中获得的力延伸曲线的图案。该模型只需要两个拟合参数：在单个碱基对的水平上的尝试频率和与自由能校正相关的参数，该自由能校正解释了指数级大量被忽略的二级结构的构型熵。我们应用该模型来解释最近在三螺旋连接S15 RNA分子（RNAS 15）的拉实验中获得的结果。我们发现，RNAS 15经历力诱导的错误折叠，其中力有利于形成稳定的非天然发夹。该模型再现了实验中得到的展开和重折叠力-延伸曲线、断裂力分布和错误折叠概率。
2009-01-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Empirical corrections to the Amber RNA force field with Target Metadynamics
核酸构象转变的计算研究仍然面临着许多挑战。例如，在单链RNA四核苷酸的情况下，由于分子动力学模拟中常用的力场的不准确性，模拟和实验之间的一致性不令人满意。在这里，我们使用从高分辨率X射线结构收集的实验数据，试图改进的最新版本的琥珀力场。一种改进的元自洽算法被用来计算修正势，该修正势被设计用于加强骨架扭转角的实验分布。包括这些校正电位的四核苷酸的复制交换模拟显示出与含有嘧啶碱基的寡核苷酸的独立溶液实验的显着更好的协议。虽然所提出的修正似乎并不适用于一般的RNA系统，但模拟揭示了α和β主链角度对RNA构象系综调制的重要性。这里提出的修正方案提出了一个力场细化的系统程序。
2016-05-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Automatic learning of hydrogen-bond fixes in an AMBER RNA force field
电流力场复制RNA结构动力学的能力是有限的。已经开发了几种方法来利用实验数据，以加强与实验的协议。我们在这里扩展了现有的框架，它允许任意选择力场校正项，以配合从模拟和相应的实验计算的观测值之间的差异量化。我们应用一个强大的正则化协议，以避免过度拟合，并介绍和比较了一些不同的正则化策略，即L1-，L2-，Kish大小-，相对Kish大小-和相对熵-处罚。训练集包括GACC四聚体以及更具挑战性的系统，即gcGAGAgc和gcUUCGgc RNA四环。AMBER RNA力场中的特定分子内氢键通过自动确定的参数进行校正，我们称之为gHBfix $_{opt}$。一个验证，涉及一个单独的模拟系统中存在的训练集（gcUUCGgc）和新的系统中没有看到在训练（CAAU和UUUU四聚体）显示改进有关的天然人口的四环以及良好的协议NMR实验四聚体时，使用新的参数。然后，我们模拟折叠的RNA（扭结-转弯和L1茎rRNA），包括训练集中不充分存在的氢键类型。这允许命名为gHBfix 21的参数集的最终修改，并建议适用于更广泛的RNA系统。
2022-01-11 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Force Dependent Hopping Rates of RNA Hairpins can be Estimated from Accurate Measurement of the Folding Landscapes
核酸发夹的序列依赖性折叠景观反映了生物分子折叠的复杂性。折叠轨迹，使用单分子力钳实验所产生的附加半柔性聚合物的发夹的末端已被用来推断其折叠景观。使用模拟和理论，我们研究的效果的动态连接的处理上的发夹-免费的RNA自由能曲线$F^o_{eq}(z_m)$，其中$z_m$是发夹的分子延伸。精确测量$F^o_{eq}(z_m)$需要具有小$L/l_p$的刚性聚合物，其中$L$是手柄的轮廓长度，$l_p$是持久长度。奇怪的是，跳频速率的可靠估计只能使用灵活的手柄。尽管如此，我们表明，平衡自由能分布$F^o_{eq}(z_m)$在外部张力$f_m$，力（$f$），在折叠和未折叠的状态是同样填充，结合Kramers的理论，可以提供准确的估计力依赖的跳跃率在没有处理在任意值的$f$。我们的理论框架表明，$z_m$是一个很好的反应坐标核酸发夹在张力下。
2008-08-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Combining simulations and solution experiments as a paradigm for RNA force field refinement
最近的计算工作表明，目前使用的势能模型在分子动力学是不够准确的描述RNA寡聚体的构象系综，并建议分子动力学应补充与实验数据。在这里，我们提出了一个计划的基础上最大熵原理相结合的模拟与批量实验。在所提出的方案中，所产生的噪声的测量和用于回算实验观测值的前向模型是明确考虑。该方法进行了测试，RNA核苷，然后用于构建化学一致的修正琥珀RNA力场，允许一个大的实验数据对核苷和二核苷被正确地复制。这些校正的可转移性进行评估，对独立的四核苷酸数据，并显示以前未报道的协议与实验。这个过程可以应用于执行多个实验数据在多个系统中的自洽框架，从而提出了一个新的范式力场细化。
2016-11-18 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Salt Effects on the Thermodynamics of a Frameshifting RNA Pseudoknot under Tension
由于-1程序性核糖体移码与假结（PK）RNA对力的响应之间的潜在联系，已经对PK进行了许多单分子牵拉实验以破译程序性核糖体移码的机制。部分受这些实验的启发，我们使用RNA的粗粒度模型进行模拟，以描述PK在一定范围的机械力（$f$ s）和单价盐浓度（$C$ s）下的响应。粗粒度模拟定量再现实验中观察到的多步热熔融，从而验证了我们的模型。在模拟中得到的自由能变化与实验非常吻合。通过改变$f$和$C$，我们计算了显示一系列结构转变的相图，填充不同的中间状态。当$f$和$C$发生变化时，茎环三级相互作用首先断裂，然后是$3^{\prime}$末端发夹（$\textrm{I}\rightleftharpoons\textrm{F}$）的解折叠。最后，$5^{\prime}$末端的发夹散开，产生一种延伸状态（$\textrm{E}\rightleftharpoons\textrm{I}$）.对相界的理论分析表明，断裂临界力的尺度为$\left(\log C_{\textrm{m}}\right)^α$ + $α=1\,(0.5)$ + $\textrm{E}\rightleftharpoons\textrm{I}$（$\textrm{I}\rightleftharpoons\textrm{F}$）相变。这种关系被用来获得优先离子-RNA相互作用系数，它可以在单分子实验中定量测量，如以前对DNA…
2016-06-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Free Energy Landscape of GAGA and UUCG RNA Tetraloops
我们报告的折叠热力学的ccUUCGgg和ccGAGAgg RNA四环使用原子分子动力学模拟。我们获得了以前未报道的估计使用平行回火结合良好的回火metadaptics的折叠自由能。一个关键因素是使用最近开发的度量距离，eRMSD，作为一个有偏见的集体变量。我们发现，本地倍的两个四环是不是全球自由能最低使用琥珀\c{hi} OL 3力场。UUCG和GAGA的折叠自由能分别为30.2kJ/mol和7.5kJ/mol，与实验值有很大差异。我们评估所有可能的一维骨干力场修正的可行性。我们发现，不支持α和矩形的左+区域一贯地改善了现有的力场。然而，根据现有的热力学数据和溶液实验判断，这些校正所达到的准确度水平不能被认为是足够的。
2016-09-26 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Molecular simulations matching denaturation experiments for N6-Methyladenosine
转录后修饰对于RNA功能至关重要，并且可以影响其结构和动力学。基于力场的经典分子动力学模拟是表征生物分子动力学的基本工具，其在RNA中的应用正在蓬勃发展。在这里，我们表明，一组力场参数为N $^6$ -甲基腺苷（m $^6$ A）开发的常用琥珀色力场不重现双链变性实验，具体来说，不能用来描述配对和未配对的状态。然后，我们使用重新加权技术，以获得新的参数匹配现有的实验数据。由此产生的力场可以用来正确地描述成对和未成对的m $^6$ A的顺式和反式构象，从而开辟了使用分子模拟来研究N6甲基化对RNA结构动力学的影响。
2022-05-02 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Translocation of structured polynucleotides through nanopores
我们从理论上研究了结构化RNA/DNA分子通过允许单链但不允许双链通过的窄孔的易位。分子内碱基配对区域的解压缩为易位过程提供了显著的动力学屏障。我们表明，这种情况下，可以利用确定完整的碱基配对模式的多核苷酸，包括RNA假结。至关重要的要求是移位动态（即，易位的分子片段的长度）需要以几个核苷酸的空间分辨率作为时间的函数来记录。这可以例如通过施加用于移位的机械驱动力并利用诸如原子力显微镜或光学镊子的装置记录力-延伸曲线（FEC）来实现。我们的分析表明，有了这种增加的空间分辨率，纳米孔可以转化为一个强大的实验工具来研究核酸的折叠。
2004-02-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A coarse-grained model with implicit salt for RNAs: predicting 3D structure, stability and salt effect
为了弥补RNA序列和三维结构之间的差距，人们提出了一些预测RNA三维结构的计算模型。然而，现有的模型很少考虑离开室温/体温和高盐（1 M NaCl）的条件，因此一般难以预测热力学和盐效应。在这项研究中，我们提出了一个粗粒度的模型与隐式盐RNA预测的三维结构，稳定性和盐效应。结合蒙特卡罗模拟退火算法和粗粒力场，该模型将46个测试RNA（小于或等于45 nt）从它们的序列折叠成它们的天然样结构，总的平均RMSD为3.5 μ m，总的最小RMSD为1.9 μ m。对于30个发夹结构的RNA，该模型也给出了稳定性和盐效应的可靠预测，与大量的实验数据相比，解链温度的平均偏差约为1.0 ℃。此外，该模型可以提供在给定的温度/盐条件下短RNA的可能的3D结构的集合。
2014-09-01 physics.bio-ph q-bio.BM
Refolding dynamics of stretched biopolymers upon force quench
单分子力谱方法可用于从折叠景观的任意区域生成生物聚合物的折叠轨迹。我们说明了折叠动力学的复杂性和通用方面的崩溃的RNA和蛋白质的力量淬火后，使用模拟的RNA发夹和理论的基础上的de Gennes模型的均聚物崩溃。折叠时间$τ_F$不对称地取决于$δf_S = f_S - f_m$和$δf_Q = f_m - f_Q$，其中$f_S$（$f_Q$）是拉伸（淬灭）力，$f_m$是RNA发夹的过渡中间力。根据实验，分子延伸的弛豫动力学，$R(t)$，发生在三个阶段：在延伸的快速初始减少之后是一个平台，最后在$R(t)$的突然减少，发生作为接近天然状态。平台期的持续时间随着$λ=τ_Q/τ_F$降低而增加（其中$τ_Q$是力从$f_S$降低到$f_Q$的时间）。力淬火弛豫机制的变化，因为$λ$是改变反映在实验上可测量的时间相关的熵，这是直接计算的折叠轨迹。张力下的de Gennes模型的解析解再现了$R(t)$中的多级动力学。预测的崩溃的初始阶段也应该是聚合物的一个通用功能验证通过模拟的动力学的半柔性（柔性）均聚物在不良溶剂中淬火后，从一个完全拉伸状态的力的环形（小球）形成。我们的研究结果为蛋白质折叠的多个不同的实验观察提供了统一的解释。
2009-11-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Messenger RNA Fluctuations and Regulatory RNAs Shape the Dynamics of Negative Feedback Loop
简单调控网络的单细胞实验与细胞群体实验有显著不同。这种差异是由单个细胞中的随机事件引起的，这些随机事件在细胞群体中被平均化。例如，虽然单个细胞可能显示出某些蛋白质浓度的持续振荡，但这种振荡可能在群体平均值中表现出阻尼。在本文中，我们研究的作用RNA随机波动作为一个主导力量，产生一个持续的兴奋行为在单细胞水平。反对以前的一些模型，我们建立了一个完全随机模型的负反馈回路，明确考虑到RNA的随机动力学。我们发现信使RNA的随机波动可以在翻译过程中被放大，并产生持续的蛋白质表达脉冲。受最近对非编码调节RNA在转录后调节中的重要性的认识的启发，我们也考虑了调节RNA转录本可以与信使RNA结合并抑制翻译的可能性。我们的研究结果表明，调节转录有助于减少基因表达的变异性在单细胞水平和细胞群体水平。
2010-07-27 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.MN
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
Spontaneous RNA condensation into nanoring structures
多价分子阳离子，如精胺，对DNA缩合成非常明确的环形形状的影响已经得到了很好的研究和理解。然而，已经做出了巨大的努力试图从ssRNA或dsRNA获得类似的缩合结构，后者携带与dsDNA类似的负电荷密度，尽管它采用不同的螺旋形式。但迄今为止，将RNA分子类似地浓缩成明确的结构还很难实现。在这项工作中，我们表明ssRNA分子可以很容易地在小鼠表面上凝聚成纳米环结构，其中每个纳米环结构主要由单个RNA分子形成。缩合发生在不同原子阳离子的浓度范围内，从一价到三价。用原子力显微镜（AFM）观察了云母表面RNA纳米环的结构。以轻敲模式观察样品，并通过在所用的一种不同阳离子存在下滴蒸发RNA溶液来制备样品。据我们所知，这是第一次报道纳米环或任何其他定义明确的浓缩RNA结构。RNA纳米环的形成可以通过氢键形成发夹茎（被盐削弱）和发夹环之间的能量竞争来理解。这一结果可能具有重要的生物学意义，因为有人提出RNA是最古老的基因组编码分子，这些结构的形成可能使其在原始时代具有抗降解的稳定性。更重要的是，这种纳米环结构有可能被用作生物传感器和功能化的纳米器件。
2021-02-28 physics.bio-ph q-bio.BM
Effect of the charge distribution of virus coat proteins on the length of packaged RNAs
单链RNA病毒有效地将其基因组封装到称为衣壳的蛋白质外壳中。衣壳蛋白N-末端尾部的正电荷与带负电荷的基因组之间的静电相互作用被假定为病毒装配的主要驱动力。最近的实验结果表明，具有相同电荷数和相同长度的N端尾部包裹了不同数量的RNA，这表明单独的静电作用无法解释RNA自组装实验中观察到的所有结果。利用平均场论，我们表明，基因组构型熵和静电的组合效应可以在一定程度上解释包装的RNA与突变蛋白质的位置和尾部上的电荷数被改变的量。了解促成病毒组装的因素可以促进阻断病毒感染或构建用于基因治疗应用的衣壳的尝试。
2020-12-05 physics.bio-ph
Predicting the kinetics of RNA oligonucleotides using Markov state models
如今，不同的实验技术，如单分子或弛豫实验，可以提供生物分子系统的动态特性，但这些方法获得的细节量往往是有限的时间或空间分辨率。在这里，我们使用国家的最先进的计算技术，即原子分子动力学和马尔可夫状态模型，提供洞察短RNA寡核苷酸的快速动态，以阐明堆叠相互作用的动力学。多个微秒长的模拟分析表明，这些分子的主要弛豫模式可以由交替折叠状态之间的过渡，而不是随机线圈和天然结构之间的过渡。在适当地去除由当前RNA琥珀力场的已知不准确性人为稳定的结构后，预测的动力学性质与先前报道的弛豫实验的时间尺度一致。
2016-12-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
DNA entropic elasticity for short molecules attached to beads
在单分子实验中，力被施加到DNA或RNA分子上，使得核酸性质和核酸-酶相互作用的重要发现成为可能。这些实验依赖于聚合物力延伸行为的模型来校准实验;通常实验使用蠕虫状链（WLC）理论用于双链DNA和RNA。这一理论与长分子的实验结果吻合得很好。最近的单分子实验使用较短的分子，其轮廓长度在1-10个持久长度的范围内。迄今为止，大多数WLC理论计算都假设分子长度为无限长，并且与较短链的实验不一致。当使用较短分子时变得重要的关键物理效应包括（i）约束分子末端处允许的波动的边界条件和（ii）聚合物所连接的珠的旋转波动，其改变分子的表观延伸。我们描述了有限蠕虫状链（FWLC）理论，它考虑到这些影响。我们表明FWLC预测偏离经典的WLC解决方案的分子轮廓长度的几倍的持久性长度。因此，FWLC将允许更准确的实验校准相对较短的分子，促进未来的发现在单分子力显微镜。
2006-01-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Multivalent ion-mediated nucleic acid helix-helix interactions: RNA versus DNA
离子介导的相互作用对核酸的结构和稳定性至关重要。最近的实验表明，多价离子诱导的双链RNA和DNA的聚集可能强烈依赖于螺旋的拓扑性质，而在原子水平上的离子介导的相关相互作用仍然缺乏理解。本文采用原子分子动力学模拟直接计算了六氨合钴离子（Co-Hex）溶液中双链RNA和双链DNA之间的平均力势（PMF）。计算结果表明，当[Co-Hex]较低时，B-DNA之间和A-RNA之间的PMF都是（强）排斥的，而当[Co-Hex]较高时，B-DNA之间的PMF是强吸引的，而A-RNA之间和A-DNA之间的PMF仍然是（弱）排斥的。微观分析表明，对于A型螺旋，Co-Hex将成为深大沟的内结合，从而不能在相邻螺旋之间形成明显的离子桥;而对于没有深大沟的B型螺旋，Co-Hex将表现出外结合，从而强有力地桥接相邻螺旋。此外，我们进一步的计算表明，A-RNA之间的PMF可能会变得很强的吸引力，无论是在很高的[Co-Hex]或当深大沟底部固定有一层水。
2015-07-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Emergence of effective temperatures in an out-of-equilibrium model of biopolymer folding
我们研究了在一个随机模型中扩展温度概念的可能性，该模型用于驱动RNA/蛋白质折叠脱离平衡。我们模拟了一个小RNA发夹的动力学受到外部拉力，这是时间依赖性的。首先，我们考虑一个波动耗散关系（FDR），从而我们验证了各种有效的温度可以得到不同的观测值，只有当最慢的内在弛豫时间尺度的系统调节系统的动态。然后，我们引入了一个不同的非平衡温度，它是由与弱相互作用热浴的热交换速率定义的。值得注意的是，该“动力学”温度可以针对外部切换力的任何频率来定义。我们还讨论和比较这两个新兴的参数的行为，通过区分FDR温度的瞬时特性的动力学温度的时间延迟的性质。一个简单的4-状态马尔可夫模型，描述了RNA分子的长期行为，证实了我们的数值的有效性。
2021-07-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Compaction and tensile forces determine the accuracy of folding landscape parameters from single molecule pulling experiments
我们建立了一个框架，用于评估是否生物聚合物的过渡态位置，这可以从单分子拉伸实验推断，对应于具有相等的概率达到折叠或未折叠状态（Pfold = 0.5）的结构的合奏。使用结果的强制展开的RNA发夹，一个完全可溶的模型和分析理论，我们表明，Pfold是唯一确定的s，一个实验测量的分子张力整体性参数，这是一个比例的张力和压实力，稳定的折叠状态。应用于折叠景观的DNA发夹和亮氨酸拉链与两个障碍提供了一个结构的解释单分子的实验数据。我们的理论可以用来评估分子延伸是否是一个很好的反应坐标使用测量的自由能分布。
2011-03-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Extremely rare ultra-fast non-equilibrium processes can be close to equilibrium: RNA unfolding and refolding
我们数值研究了RNA二级结构在不同外力作用下的行为。这允许在所产生的快速解折叠和重折叠过程中测量功$W$。在这里，我们研究一个中等大小的发夹结构。使用复杂的大偏差算法，我们能够以高精度测量工作分布，直到小到$10^{-46}$的概率。由于这种精确性和通过与精确的自由能计算的比较，我们能够验证克鲁克斯和Jarzynski的定理。此外，我们分析力延伸曲线和配置的二级结构在展开和重折叠的典型的平衡过程和非平衡过程中，条件选择值的测量工作$W$，典型的和罕见的。我们发现，非平衡过程的工作值接近那些最相关的应用克鲁克斯和Jarzynski定理，分别是最相似的平衡过程。因此，相对于纯标量变量的平衡和非平衡行为的相似性（其以非常小的概率发生，但可以以受控但非目标的方式生成）与沿着完整动态轨迹采样的配置集合的高相似性有关。
2020-11-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.comp-ph
Non-linear irreversible thermodynamics of single-molecule experiments
介绍了受机械性质的外部约束力的单分子实验的不可逆热力学。将Onsager的形式主义扩展到非平衡外部约束下系统的非线性情况，我们能够计算所涉及变量的熵产生和一般非线性动力学方程。特别是，我们分析的情况下，RNA拉伸协议获得不同的构型状态之间的临界振荡时，被迫通过外部手段保持在其自由能景观的不稳定区域，在实验中观察到的。我们还计算了在这些跳跃事件产生的熵，并显示如何在拉伸实验中的共振现象的单个RNA大分子可能会出现。我们还计算了使用克莱默的方法获得一个很好的比较与实验的跳跃率。
2015-05-20 physics.bio-ph
Using Simulations and kinetic network models to reveal the dynamics and functions of Riboswitches
核糖开关是存在于非翻译区的RNA元件，通过与靶代谢物特异性结合来调节基因表达。代谢物与保守适体结构域的结合变构地改变下游表达平台中的构象。基因表达的命运由下游RNA序列的变化决定。由于核糖开关的代谢产物依赖的共转录折叠和去折叠动力学是基因表达的关键决定因素，因此研究核糖开关在代谢产物存在和不存在的情况下的热力学和动力学是非常重要的。单分子力实验从核糖开关的机械响应、理论和计算研究中揭示了核糖开关的自由能景观，揭示了不同类型核糖开关的折叠动力学的不同机制。在这里，我们首先讨论核糖开关周围的水的动力学，强调水动力学可以增强核酸结构的波动。为了超越自然状态的波动，我们使用自组织聚合物（SOP）模型来预测机械力下的腺嘌呤核糖开关的动力学。除了定量预测的折叠景观添加核糖开关，我们的模拟还解释了pbuE腺嘌呤和添加腺嘌呤核糖开关之间的动力学差异。为了探测功能{ \it in vivo}，我们使用折叠景观，提出了一个系统水平的动力学网络模型，以定量预测基因表达是如何调节核糖开关，动力学控制下。
2014-10-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Modeling of Ribosome Dynamics on a ds-mRNA under an External Load
细胞中的蛋白质分子是由称为核糖体的大分子机器合成的。根据最近的实验数据，我们降低了核糖体的复杂性，并提出了一个模型来表达其活动的六个主要状态。使用我们的模型，我们研究了在不同的生物相关的情况下，在外力的存在下，翻译速率，并通过RNA双链区在没有或存在外力的翻译。在本研究中，我们给出了翻译速率的定量理论，并表明核糖体的行为更像一个布朗棘轮马达。我们的研究结果可能有助于理解核糖体在生物条件下的行为。
2016-07-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Single Molecule Statistics and the Polynucleotide Unzipping Transition
我们提出了一个广泛的理论研究的双链DNA的机械解压缩下施加的力的影响。在长链聚合物的极限中，在10 pN的临界力值下存在热力学解链转变，均聚物和无规杂聚物具有不同的临界行为。我们扩展结果的无序平均行为的DNA的随机序列，以更实验上可访问的问题，解压缩一个单一的DNA分子。当所施加的力接近临界值时，双链DNA以一系列离散的、依赖于序列的步骤解开，使其能够连续地达到更深的能量最小值。因此，伸展与力的关系曲线呈现出一系列被急剧跳跃分隔开的高原的引人注目的形式。在蛋白质和折叠RNA分子的显微操作实验中，类似的定性特征应该会再次出现。尽管它们的不寻常的形式，单分子的延伸与力的曲线仍然揭示了无序平均临界行为的残余。在跃迁之上，解链叉的动力学与粒子在随机力场中扩散的动力学有关;在施加的力超过解链的临界值大约5 pN之前，预计会出现异常的、无序主导的行为。
2001-07-20 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
Bayesian hidden Markov model analysis of single-molecule force spectroscopy: Characterizing kinetics under measurement uncertainty
单分子力谱已被证明是研究生物分子动力学行为的有力工具。通过施加外力，可以稳定具有小或瞬时群体的构象状态，从而使它们能够被表征，并研究个体轨迹的统计数据，以提供对生物分子折叠和功能的洞察。因为观察到的量（力或延伸）不一定是理想的反应坐标，单个观察结果不能唯一地与动力学上不同的构象相关联。虽然最大似然方案，如隐马尔可夫模型已经解决了这个问题，其他类的单分子实验，通过使用时间信息，以帮助在一系列不同的构象状态的推断，这些方法没有给出一个清晰的图片，如何精确的模型参数是由数据确定的，由于仪器噪声和有限样本统计，这两个重要的问题，在力谱。我们解决这个问题，通过贝叶斯扩展，允许实验的不确定性直接量化，并建立在细致平衡，以进一步减少不确定性，通过物理约束。我们说明了这种方法的实用性，在固定的光阱中的RNA发夹的三态动力学行为的特征。
2011-08-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Network theory approach for data evaluation in the dynamic force spectroscopy of biomolecular interactions
通过动态力谱法对单分子和分子复合物之间的分子键的研究受到纳米尺度上的大波动和可能的其他非特异性结合的影响，这掩盖了实验输出。在对键参数进行定量分析之前，我们致力于开发有效选择相关实验数据的方法。在这里，我们提出了一种方法，这是基于图论的应用。对应于重复拉动事件的力-距离曲线被映射到它们的相关网络（数学图）上。在这些图上，相似曲线的组表现为拓扑模块，其使用图的谱分析来识别。我们通过分析在ssDNA-ssDNA，肽-RNA（来自HIV 1的系统）和肽-Au表面上测量的力-距离曲线的大集合来证明该方法。在我们的数据集内，该方法系统地分离了与不同分子间相互作用和分子聚集在一起的空间排列和/或牵引速度相关的曲线的子组。这证明了该方法的空间自由度的灵敏度，表明在大分子复合物的情况下和具有多个结合位点的情况下的潜在应用。
2009-11-12 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.QM
Measuring the energy landscape roughness and the transition state location of biomolecules using single molecule mechanical unfolding experiments
单分子机械展开实验开始提供生物分子复杂能量景观的概况。为了获得可靠的估计能源景观的特点，有必要结合实验测量与健全的理论模型和模拟。在这里，我们展示了如何通过使用温度作为变量，在激光光镊或AFM实验中的生物分子的机械展开的能量景观的粗糙度可以测量，而不作任何假设的基础反应坐标。的形式主义的功效说明通过审查的实验结果，直接测量粗糙度在蛋白质-蛋白质复合物。粗糙度模型也可以用来解释蛋白质在温度变化时的强制展开实验。对能量景观的其他方面的估计，如自由能垒或过渡态（TS）位置，可能取决于用于分析实验数据的精确模型。我们说明了固有的困难，在获得的过渡态的位置从加载速率或力依赖的展开速率。因为过渡态随着力或加载速率的变化而移动，所以通常难以反演实验数据，除非在一维自由能分布的顶部处的曲率大，即势垒是尖锐的。TS位置对力的独立性仅适用于脆性或硬的生物分子，而TS位置变化很大，如果分子是软的或塑性的。我们还评论的有用性的延伸的分子作为一个替代反应坐标，特别是在力淬火的蛋白质和RNA的重折叠的背景下。
2006-12-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.OT
Single-molecule experiments in biological physics: methods and applications
我回顾了生物物理学中的单分子实验（SME）。最近的技术发展提供了设计和建造具有足够高灵敏度和精度的科学仪器的工具，以操纵和可视化单个分子并测量微观力。使用SME可以：一次操作一个分子并测量描述分子特性的分布;表征生物分子反应的动力学;检测分子中间体。SME提供了有关生物分子过程的热力学和动力学的额外信息。这补充了在传统批量测定中获得的信息。在SME中，还可以测量生物分子反应中的小能量和检测大的布朗偏差，从而提供新的方法和系统来仔细研究统计力学的基本基础。这篇评论是写在一个非常介绍性的水平，强调中小企业的重要性，科学家有兴趣知道的共同游乐场的想法和跨学科的主题，这些技术访问。审查讨论中小企业从实验的角度来看，首先暴露了最常见的实验方法，后来提出了各种分子系统，这些技术已被应用。简要介绍了原子力显微镜（AFM）、激光光镊（LOT）、磁镊（MT）、生物膜力探针（BFP）和单分子荧光（SMF）等实验技术。然后，我介绍了SME的几个应用程序的研究核酸（DNA，RNA和DNA缩合），蛋白质（蛋白质-蛋白质相互作用，蛋白质折叠和分子马达）。最后，讨论了SME在小系统非平衡热力学研究和涨落定理实验验证中的应用。最后，我讨论了开放的问题和未来的前景。
2006-09-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other cond-mat.soft
