Electrostatic inactivation of RNA viruses at air-water and liquid-liquid interfaces
了解病毒与表面或界面之间的相互作用非常重要，因为它们提供了污染表面清洁和消毒的基本原则。然而，目前对这种相互作用的物理学知之甚少。例如，长期以来的实验观察表明，空气-水界面的存在通常可以杀死病毒，但这种现象背后的机制仍然未知。在这里，我们使用理论和模拟来表明，静电提供了这样的机制，这是非常普遍的。因此，我们预测，当病毒粒子突破空气-水界面时，RNA病毒的自由能应该增加几千个$k_BT$。我们还表明，接近通用液-液界面的病毒的命运强烈依赖于界面和静电力之间的细致平衡，这可以调整，例如，通过选择不同的介质接触病毒负载的呼吸液滴。我们建议，这些结果可用于设计有效的表面消毒策略。有趣的是，可调谐性需要静电力和界面力与病毒大小相似地缩放，当电荷以双壳分布排列时，如流感病毒和所有冠状病毒中的RNA病毒，自然会发生这种情况。
2020-12-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
FRET-guided selection of RNA 3D structures
本文提出一种FRET引导的RNA三维结构筛选策略，结合RNAComposer、FARFAR2和AlphaFold3预测与smFRET实验数据，识别柔性RNA基序的构象状态。
2025-09-22 physics.bio-ph
Switchable Conformation in Protein Subunits: Unveiling Assembly Dynamics of Icosahedral Viruses
本文通过设计新型亚基并建立分子动力学模型，揭示了二十面体病毒衣壳沿基因组从无序片段到完美对称结构的组装路径，并结合小角X射线散射与冷冻电镜实验验证了RNA包装机制。
2024-08-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Exploring RNA structure and dynamics through enhanced sampling simulations
RNA的功能与其结构动力学密切相关。分子动力学模拟是有用的探索生物分子的灵活性，但严重限制了可访问的时间尺度。增强的采样方法允许有效地延长这一时间尺度，以探测生物相关的构象变化和化学反应。在这里，我们回顾了增强的采样技术在RNA系统的研究中的作用。我们讨论了这些方法的力场验证，探索构象景观和离子/配体-RNA相互作用，以及催化途径的应用相关的挑战和承诺。这些方法的重要技术方面，如有偏见的集体变量的选择和多副本模拟的分析，进行了详细研究。最后，这些方法在RNA动力学的表征中的作用的角度提供。
2018-01-02 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Functional analysis of the N-terminal basic motif of a eukaryotic satellite RNA virus capsid protein in replication and packaging
病毒颗粒的有效复制和组装对于感染的建立是不可或缺的。除了衣壳蛋白（CP）在使RNA子代衣壳化中的主要作用外，正义单链RNA病毒的实验证据表明CP也调节RNA合成。在这里，我们证明了卫星烟草花叶病毒（STMV）的复制是由STMV CP和辅助病毒（HV）烟草花叶病毒（TMV）复制酶之间的协同相互作用控制的。我们确定STMV CP-HV复制酶相互作用需要在N-末端13个氨基酸（aa）基序中的第三位置（3R）处的带正电荷的残基。远西北印迹表明，STMV CP促进HV-复制酶和STMV RNA之间的结合。在N-末端13 aa基序中的位置3处具有精氨酸至丙氨酸取代的STMV CP变体废除了复制酶-CP结合。CP的N-末端13 aa基序携带位于5、7、10和11位的带正电荷残基的丙氨酸取代，在包装全长STMV时是有缺陷的，但可以包装缺少3'末端150 nt区域的截短的STMV RNA。这些发现提供了深入了解STMV复制和包装的调节机制。
2016-12-26 physics.bio-ph q-bio.BM
The effect of RNA stiffness on the self-assembly of virus particles
在许多体外条件下，一些小病毒自发地将单链（ss）RNA包裹到称为衣壳的蛋白质外壳中。虽然病毒RNA被发现是紧凑的和高度分支的，因为核苷酸之间的长距离碱基配对，最近的实验表明，在没有二级或更高级结构的ssRNA和病毒RNA之间的头对头竞争中，衣壳蛋白优先封装线性聚合物！本文研究了基因组刚性对RNA与衣壳蛋白复合物的解离自由能的影响。我们发现，由于碱基配对，有效链刚度的增加可能是在某些条件下线性链在支链上具有优势的原因，当涉及到双糖苷化效率。虽然分支使基因组更紧凑，但RNA碱基配对增加了RNA分子的有效库恩长度，这可能导致RNA限制的自由能增加，即RNA限制所需的功，从而降低包装效率。
2018-01-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The Role of Nucleobase Interactions in RNA Structure and Dynamics
在RNA三维结构中观察到的相互作用的复杂网络通常根据多种几何性质来描述，包括螺旋参数、碱基配对/堆叠、氢键和骨架构象。我们表明，一个简单的分子表示组成的一个定向珠每个核苷酸可以解释RNA的基本结构特性。在这个框架中，典型的沃森-克里克，非沃森-克里克碱基配对和碱基堆积相互作用可以明确地确定在一个定义良好的相互作用壳。我们通过执行两个独立的，互补的测试来验证这种表示。首先，我们用它来构建一个序列独立的，基于知识的评分功能的RNA结构预测，这是有利的完全原子，国家的最先进的技术相比。其次，我们定义了一个度量来测量RNA结构之间的偏差，该偏差直接报告碱基-碱基相互作用网络中的差异。这个度量的有效性进行测试的能力，区分结构和动力学遥远的RNA构象，执行更好的标准技术相比。总而言之，我们的结果表明，这种极简的、以核碱基为中心的表示捕捉了与描述RNA结构和动力学相关的主要相互作用。
2014-10-06 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Reweighting of molecular simulations with explicit-solvent SAXS restraints elucidates ion-dependent RNA ensembles
小角X射线散射（SAXS）实验越来越多地用于探测RNA结构。一些\emph{forward models}，涉及测量的SAXS强度和结构特征，并适合于模型无论是显式溶剂效应或溶质动力学，在过去的几年中已经提出。在这里，我们介绍了一种方法，集成原子分子动力学模拟和SAXS实验，以重建RNA结构系综，同时占RNA构象动力学和显式溶剂效应。我们的协议利用SAXS纯溶质正演模型和增强的采样方法来采样的异质系综的结构，没有信息对实验提供的飞行。然后通过最大熵原理对生成的结构系综进行重新加权，以匹配多离子条件下的参考SAXS实验数据。重要的是，精确的显式溶剂远期模型在这个重新加权阶段使用。我们应用这个框架的GTP酶相关的中心，一个相关的RNA分子参与蛋白质翻译，以阐明其离子依赖的构象合奏。我们表明，（a）溶剂和动力学是至关重要的重现实验SAXS数据和（b）由此产生的动力学合奏包含一个离子依赖的扩展结构的分数。
2021-03-30 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
A nucleobase-centered coarse-grained representation for structure prediction of RNA motifs
我们介绍了SPQR模型，这是一种用于结构预测和细化的粗粒度RNA表示。在我们的方法中，核苷酸的表示由磷酸基团的点粒子和核苷的各向异性粒子组成。原则上，相互作用是由ESCORE函数（一种以基础为中心的评分函数）激发的基于知识的潜力。然而，一个特殊的治疗是给予碱基配对的相互作用和某些几何构象，这是失去了在一个原始的知识库模型。这导致能够描述平面规范和非规范碱基对和碱基-磷酸相互作用的表示，并区分糖起皱和糖苷扭转构象。该模型适用于折叠的几种结构，包括双链体与内部循环的非典型碱基对，tetraloops，路口和一个pseudokont。对于这些系统中的大多数，实验结构正确地预测在个人接触的水平。我们还提出了一种方法，有效地重新引入原子细节的粗粒度表示。
2017-12-06 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Measurements of the self-assembly kinetics of individual viral capsids around their RNA genome
病毒衣壳的形成是自组装的典型例子。病毒衣壳是围绕病毒基因组的高度有序的蛋白质外壳。许多正义RNA病毒的衣壳在体外由外壳蛋白和RNA的混合物自发组装而成。考虑到它们的结构复杂性，组装的适当衣壳的高产率是显着的：180个相同的蛋白质必须排列成三个不同的局部构型以形成三角形数为3（T = 3）的二十面体衣壳。尽管从结构研究和模拟中获得了大量数据，但即使是关于这些结构如何组装的最基本问题也仍未得到解决。实验还没有确定组装途径是否涉及聚集或成核，或者RNA如何控制这一过程。在这里，我们使用干涉散射显微镜直接观察在体外组装动力学的个别，未标记的衣壳的噬菌体MS2。通过测量从1 ms到900 s的时间尺度上有多少外壳蛋白与单个MS2 RNA链结合，我们发现组装的开始在时间上分布很广，随后结合蛋白的数量迅速增加。这些测量为成核和生长途径提供了强有力的证据。我们还发现，当第一个核生长完成之前，同一RNA上出现多个核时，畸形结构就会组装起来。我们的测量揭示了RNA周围病毒衣壳的复杂组装途径的定量细节，包括成核阈值，成核时间，生长时间和限制的临界核大小。这些结果可能为工程合成衣壳或破坏致病病毒组装的策略提供信息。
2018-08-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Viral RNA as a branched polymer
本章探讨如何通过平面图将病毒长 RNA 分子视为支化聚合物，揭示其特征性紧凑度，并展示如何结合聚合物物理学已知结果与额外相互作用来扩展该模型。
2023-03-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Cold denaturation of RNA secondary structures with loop entropy and quenched disorder
利用约束退火方法研究了具有猝灭序列随机性的RNA二级结构的折叠。热力学相变诱导包括环结构的构象重量。除了预期的高温熔融外，还出现了冷熔融转变。我们的研究结果表明，实验发现的RNA冷变性，实际上是一个连续的相变猝灭的顺序无序触发。我们计算了热熔融和冷熔融的临界温度之间的有利和不利的碱基对的竞争能量的情况下，并提出了一个相图作为循环指数和温度的函数。
2018-10-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
MERGE-RNA: a physics-based model to predict RNA secondary structure ensembles with chemical probing
Université de Strasbourg（斯特拉斯堡大学）
本研究提出MERGE-RNA模型，通过物理建模方法预测RNA二级结构集，克服了传统方法在解析化学探针数据方面的局限，实现了对RNA结构集的更准确和可解释的预测。
2026-08-12 physics.bio-ph q-bio.BM
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
RNA unwinding from reweighted pulling simulations
RNA双链体中互补碱基对的形成和解链是完成大量生物学功能所需的构象转变。然而，这些转变的动态步骤还没有在分子水平上定量表征。在这项工作中，基地开放的过程中，首先强制执行的原子拉动模拟，然后分析了一种新的重新加权方案，允许沿任何合适的反应坐标，例如溶剂化的自由能分布，以重建。系统地应用这种方法，以不同的碱基对组合提供了一个分子的运动图像的螺旋开放，这是通过比较验证了一套广泛的实验观察和链接到酶依赖的解旋机制。这项工作中揭示的RNA内在动力学可以合理化RNA加工分子机制中观察到的方向性。
2012-03-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
ATP dependent NS3 helicase interaction with RNA: insights from molecular simulations
丙型肝炎病毒的非结构蛋白3（NS3）解旋酶是一种具有ATP依赖性机制的核酸解旋和易位酶，在病毒RNA的复制中起关键作用。基于晶体结构和单分子实验，提出了一种类似尺蠖的移位机制。在这里，我们进行原子分子动力学在明确的溶剂微秒的时间尺度上可用的实验结构。我们还构建和模拟推定的转运过程的中间体，我们进行非平衡有针对性的模拟，以估计其相对稳定性。对于每个模拟的结构，我们仔细表征可用的构象空间，配体结合口袋，和RNA结合裂缝。氢键网络和非平衡轨迹的分析表明，ATP依赖的稳定的蛋白质构象之一。此外，焓计算表明，熵效应可能是至关重要的实验观察到的结构的稳定。
2015-08-21 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Effect of coat-protein concentration on the self-assembly of bacteriophage MS2 capsids around RNA
本文研究噬菌体MS2外壳蛋白浓度对RNA周围衣壳自组装的影响，发现随浓度升高产物从完整VLPs变为怪物颗粒和RNA-蛋白质凝聚体，并通过蒙特卡洛模拟揭示凝聚体形成机制，为VLPs设计提供规则。
2024-01-16 physics.bio-ph
Virus Assembly Pathways inside a Host Cell
简单的RNA病毒自发地自我组装，并将其基因组封装到称为衣壳的外壳中。该过程主要由衣壳蛋白上的正电荷和基因组上的负电荷之间的吸引静电相互作用驱动。尽管它的重要性和几十年的深入研究，病毒如何选择和包装其天然RNA在宿主细胞质的拥挤环境中，在大量的非病毒RNA和其他阴离子聚合物的存在下，仍然是一个谜。在本文中，我们进行了一系列的模拟，以监测病毒外壳的生长，并找到货物外壳蛋白相互作用可以影响病毒外壳的结构和稳定性的机制。我们表明，外壳蛋白亚基可以组装在一个球状核酸核心周围形成非二十面体笼，这是最近观察到的装配实验涉及小片段的RNA。我们发现，由此产生的笼应变，可以很容易地分裂成碎片沿应力线。这表明，如果较大的野生型基因组变得可用，尽管存在无数的非病毒RNA，这种亚稳态非二十面体中间体可以容易地重新组装成稳定的天然二十面体壳。
2022-02-20 physics.bio-ph
Stochastic Modeling and Simulation of Viral Evolution
RNA病毒包括大量密切相关但高度遗传多样性的实体，称为准种。了解这种极端多样性产生和维持的机制是在受感染宿主中接近病毒持久性和病理生物学的基础。本文通过基于多型分支过程理论的数学模型引入准种理论，以更好地理解病毒多样性、持久性和灭绝的机制。我们通过结合计算模拟和模型的理论分析来实现这种理解。为了进行模拟，我们已经将数学模型实现到能够运行模拟并以图形格式实时呈现结果的计算平台中。除其他外，我们表明，病毒种群的建立可能会显示四个不同的制度，从它引入新的主机，直到达到平衡或经历灭绝。此外，我们能够模拟不同的适应度分布，代表宿主内的不同环境，这些环境可能有利于或不利于病毒的成功。我们解决了最常用的机制来解释灭绝的RNA病毒种群称为致死突变和突变融化。我们能够证明这两种机制之间的对应关系，这意味着存在一个导致RNA病毒灭绝的统一原则。
2020-06-21 math.PR physics.bio-ph q-bio.PE
Understanding In-line Probing Experiments by Modeling Cleavage of Non-reactive RNA Nucleotides
核糖核酸（RNA）参与细胞中的许多调节和催化过程。任何RNA分子的功能都与其结构密切相关。在线探测实验为各种RNA提供了有价值的结构数据集，并用于表征核糖开关的构象变化。然而，尚未研究导致未配对核苷酸中差异反应性的结构决定因素。在这项工作中，我们使用了理论方法的组合，即，经典的分子动力学模拟，多尺度量子力学/分子力学计算，和增强的采样技术，以计算和解释在几个RNA基序，包括最重要的GNRA和UNCG四环家族的成员的个别残基的差异反应性。需要在多ns时间尺度上进行模拟，以收敛相关的自由能景观。uGAAAg和cUUCGg四环和双螺旋的结果与来自在线探测实验的可用数据进行比较，并显示所引入的技术能够基于它们对磷酸二酯骨架裂解的结构倾向来区分uGAAAg四环的核苷酸。对于cUUCGg四环，需要更高级的从头计算。这项研究是第一次尝试计算分类化学探测实验，并铺平了道路的三级结构的基础上测得的反应性的非反应性核苷酸的识别。
2017-02-03 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Machine learning a model for RNA structure prediction
RNA的功能主要取决于它的结构。目前用于二级结构预测的热力学模型依赖于计算折叠系综的配分函数，因此可以估计最小自由能结构和系综群体。这些模型有时无法识别天然结构，除非辅以辅助实验数据。在这里，我们建立了一组模型，结合热力学参数，化学探测数据（DMS，SHAPE），和共同进化的数据（直接耦合分析，DCA）通过一个网络，输出扰动的合奏自由能。训练扰动以增加已知天然RNA结构的代表性集合的系综群体。在网络的化学探测节点中，卷积窗口结合了相邻的反应性，启发了它们的结构信息内容和局部构象集合的贡献。正则化用于限制过拟合并提高可移植性。通过交叉验证策略选择最可转移的模型，该策略估计模型在未训练的系统上的性能。与选定的模型，我们获得了增加合奏人口的天然结构和更准确的预测，在一个独立的验证集。该方法的灵活性使得模型可以很容易地重新训练和调整，以纳入任意的实验信息。
2020-10-05 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.BM
Weak temporal signals can synchronize and accelerate the transition dynamics of biopolymers under tension
除了热噪声，这是必不可少的，以促进生物聚合物的构象转变，细胞环境充满了一系列的非热波动，产生了过多的活动过程。为了理解非热噪声对生物过程的影响，我们研究了小的振荡力如何影响RNA发夹的热诱导折叠和去折叠转变，RNA发夹对恒定张力的响应在理论和实验上都得到了广泛的研究。引人注目的是，我们在过阻尼条件下进行的分子模拟表明，即使在高（低）张力下，使发夹（非）折叠不可能，在一定频率下的弱外部振荡力可以同步增强RNA发夹的跃迁动力学，并增加平均跃迁速率。此外，RNA动力学仍然可以区分具有共振频率的信号，即使当该信号与具有非共振频率的其他信号混合时。事实上，我们在RNA发夹动力学中的热诱导共振的计算演示是称为随机共振（SR）和共振激活（RA）的现象的直接实现。我们的研究，服从于实验测试，使用光镊，是具有重要意义的生物聚合物在体内的折叠，受到广谱的细胞噪声。
2012-08-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Statistical mechanics of coil-hairpin transition in a single stranded DNA oligomer
建立了一个自吸引约束下的自回避行走模型，用于描述短RNA或单链DNA分子形成发夹结构时的构象行为，并通过计算N个单体组成的链在二维和三维空间中所有可能的构象来计算螺旋-发夹转变的性质.链的第一个和最后五个单体已经被允许配对并形成发夹结构的茎，而剩余的单体可以形成环。线圈-发夹转变为一级相变，具有较大的熵变。虽然发现发夹茎的解链速率与环的长度和空间的维数无关，但闭合速率随环的长度和空间的维数而变化很大。
2007-01-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
