A stochastic model of supercoiling-dependent transcription
我们提出了一个随机模型耦合到DNA超螺旋的基因转录，在那里我们将实验观察聚合酶创建超螺旋，因为他们解开DNA螺旋，这些酶结合更有利的基因组解开的地区。在这个模型中，我们表明，当转录诱导的超螺旋通量增加时，有一个急剧的交叉，从一个政权，扭转应力迅速放松和基因转录是随机的，一个基因表达是高度相关的，并严格受超螺旋调控。在后一种情况下，该模型显示转录爆发，超螺旋波，和上调的分歧或双向基因。它还预测，拓扑酶放松扭曲和扭动应该提供一个途径，下调转录。这篇文章发表在Physical Review Letters，2016年5月。
2018-04-13 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.SC
Elastic Rod Model of a Supercoiled DNA Molecule
我们研究了超螺旋DNA分子的弹性行为。最简单的模型是杆状链，包括两个弹性常数，弯曲和扭转刚度。我们发现，这个模型是奇异的，需要一个小的距离截止，这是一个自然的长度尺度，给出了该模型的有效性的限制，双螺旋螺距的顺序。的棒状链的存在下的切断是能够定量地再现实验观察到的超螺旋的影响的拉伸力特性，在小超螺旋制度。一个精确的解决方案的模型，使用传递矩阵技术和它的映射到一个量子力学的问题，允许提取，从实验数据，扭转刚度的值。我们还分析了扭矩和扭曲的扭曲比与超螺旋的变化，分析显示存在一个相当尖锐的交叉制度，这可能与激发plectonemic样结构。最后，我们研究了拉伸和超螺旋DNA分子的延伸波动，无论是在固定的扭矩和在固定的超螺旋角，我们比较了一些初步的实验数据的理论预测。
2000-03-21 cond-mat q-bio.BM
Getting DNA twist rigidity from single molecule experiments
我们利用弹性接触杆模型研究了单个超螺旋DNA分子的伸展与转动图。我们定量地再现了超螺旋响应的过扭曲的DNA，并利用实验数据，我们得到了估计的有效超螺旋半径和扭转刚度的B-DNA。我们发现，与弯曲刚度不同，DNA的扭转刚度似乎随着它所浸入的盐缓冲液的性质和浓度而变化很大。
2004-02-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Effect of supercoiling on formation of protein mediated DNA loops
DNA环的形成是生物体用来调节基因的几种机制之一。形成环的自由能是决定相关基因是开启还是关闭的重要因素。本文用DNA弹性杆模型测定了蛋白质介导的DNA短环（50- 100个碱基对）形成自由能。活细胞DNA中的超螺旋应力是决定环形成的能量学的关键因素，我们在计算中明确地考虑到了这一点。阻遏蛋白本身被认为是一个刚性耦合器;它的几何形状通过它施加在DNA上的边界条件进入问题。我们表明，这些成分的理论是足够的解释在体内基因活性的调制中观察到的某些功能作为操作位点之间的距离的函数的乳糖阻遏物。我们还使用我们的理论作出定量预测的依赖循环的超螺旋应力，这可能是可测试的在体内和单分子实验，如拴系粒子测定和磁珠测定。
2006-11-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Generalized Poland-Scheraga model for supercoiled DNA
DNA的螺旋-卷曲转变的波兰-谢拉加（PS）模型考虑了DNA的两条互补链的热诱导结合的统计力学。在本文中，我们展示了如何修改PS模型时，扭矩施加到DNA的末端：我们提出了一个简单的模型扭曲的DNA的能量和计算的熵的一个循环，受角度约束（超螺旋）。根据扭矩的符号，变性曲线向更低或更高的温度移动，并且UV吸收峰被软化。超螺旋DNA的性质可以通过使用数值勒让德变换来推导。在均匀的情况下，我们发现，弱超螺旋，扭转能量的未成对碱基的数量的唯象二次定律被恢复。
2004-07-28 cond-mat.soft q-bio.BM
Plectoneme tip bubbles: Coupled denaturation and writhing in supercoiled DNA
生物信息不仅存储在双螺旋DNA的数字化学序列中，而且还编码在DNA链的机械特性中，这可以影响涉及其读出的生化过程。例如，Lac操纵子中的环的形成可以调节关键基因的表达，并且DNA超螺旋与蓝藻中的节律性圆曲线基因表达密切相关。超螺旋对于真核和原核细胞中基因组的大规模组织也很重要。DNA可以通过扭曲形成环状结构来对扭转应力做出反应，这种环状结构被称为原丝，从而将储存在扭曲中的能量转化为储存在弯曲中的能量。变性气泡也可以放松扭转应力，其吸收欠扭转的能力补偿了断裂键的破坏成本。在这里，我们预测一个新的制度，泡沫形成的plectonemes的尖端，并研究其性质，使用粗粒度的模拟。这些尖端气泡可以发生积极和消极的超螺旋，大大减少了钉扎机制的plectoneme扩散。它们可以导致plectonemes优先定位于AT丰富的区域，因为气泡更容易在那里形成。尖端气泡制度发生的超螺旋密度和力量，通常遇到的DNA在体内，并可用于生物控制的基因组过程。
2014-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Designing a single-molecule biophysics tool for characterizing DNA damage for techniques that kill infectious pathogens through DNA damage effects
抗生素如喹诺酮类和氟喹诺酮类最终通过DNA损伤杀死细菌病原体。它们通过稳定通常短暂的双链断裂状态来靶向细菌中的必需IIA型拓扑异构酶，所述双链断裂状态是为了改变DNA的超螺旋状态而产生的。在这里，我们讨论这些抗生素的发展及其作用方法。现有的DNA损伤可视化方法，如彗星试验和免疫荧光成像，往往只能定性分析，这种分析是主观的。我们描述了一种推定的单分子荧光技术，用于通过用嵌入染料完全饱和的DNA折纸瓦片的总荧光强度来量化DNA损伤，以及如何将这些实现为能够进行单分子毫秒时间尺度成像的光学显微镜成像系统的光学要求。与传统技术相比，该系统有望显著提高DNA损伤定量的再现性。
2016-05-25 q-bio.BM
Anharmonic Torsional Stiffness of DNA Revealed under Small External Torques
DNA超螺旋在多种细胞过程中起着重要作用。与超螺旋相关的扭转应力也可能通过双螺旋的局部结构和动力学参与基因调控。为了验证这种可能性，在全原子分子动力学模拟过程中，对DNA施加了稳定的扭转应力。结果发现，小的静态解扭显着降低扭转的GC-交替DNA的持久长度（$l_t$）。对于AT交替序列，观察到相反符号的较小影响。结果表明，在零应力下测得的$l_t$值是相似的，但随着解扭而发散。这种效应可以追溯到序列特异性的局部扭转波动的不对称性，并且由于补偿，在长随机DNA中它应该很小。相比之下，特殊短序列的刚度可以显著变化，这给出了通过强波动的概率进行基因调控的简单可能性。这些结果对局部DNA扭曲在与转录因子复合物中的作用具有重要意义。
2010-06-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Elasticity and electrostatics of plectonemic DNA
我们提出了一个独立的理论，在单分子实验中的DNA的机械响应。我们的模型是基于一个一维连续描述的DNA分子，并占其弹性和DNA-DNA静电相互作用。我们认为经典的加载几何实验中使用的分子的一端连接到一个基板和其他一个被拉的拉力和扭曲的一个给定的圈数。我们专注于配置相关的限制，大量的匝数，这是由两个阶段，一个与线性DNA和超螺旋DNA的其他之一。该模型考虑了线性相的热涨落和超螺旋相的静电相互作用。的扭转应力的值，超螺旋半径和角度，和实验的延伸-旋转曲线的关键功能，即线性区域的斜率和热屈曲阈值，进行预测。它们被发现与实验数据吻合得很好。
2008-11-12 q-bio.BM
A polymer model of bacterial supercoiled DNA including structural transitions of the double helix
DNA超螺旋（DNA supercoiling）是参与细菌基因组压缩和使基因组序列呈现多种结构形式的关键物理机制。DNA超螺旋可能导致形成编织的超结构（plectonemes），或者它可能局部破坏典型的B-DNA以产生变性气泡，左手Z-DNA和其他功能替代形式。这些结构的相对分数的预测一直是有限的，因为缺乏预测的聚合物模型，可以捕捉长DNA分子的多尺度特性。在这项工作中，我们解决这个问题，通过扩展的自我避免棒状链模型的DNA，使每个网站的链分配有一个额外的结构自由度，反映DNA形式的变化。该模型的有效模拟揭示了它的相关性，以捕捉多尺度性能的长链（这里高达21 kb）磁镊实验报告。控制良好的近似进一步导致准确的分析估计的热力学性质在高的力制度，提供，结合实验，一个简单的，但强大的框架来推断描述替代形式的物理参数。在这方面，使用模拟数据，我们发现，在2 pN以上的力的延伸曲线可能会导致，单独，错误的参数估计的欠确定问题的后果。因此，我们根据这些发现重新审视了已发表的数据，并讨论了先前提出的变性和左手DNA形式的参数集的相关性。总之，我们的工作为细菌DNA的可扩展定量模型铺平了道路。
2019-04-25 physics.bio-ph q-bio.BM
Multi-plectoneme phase of double-stranded DNA under torsion
我们利用蠕虫链模型研究了DNA在张力和扭矩作用下的超螺旋。该模型再现了更广泛的力，盐浓度和轮廓长度比以前的方法的实验数据。我们的理论表明，第一次，系统的行为是如何控制的多plectoneme阶段在很宽的参数范围。这一阶段不仅会影响转向延伸曲线，而且会导致plectonemic阶段的非恒定扭矩。从以前的模型和实验数据之间的不一致的缺点是解决在我们的理论，而不需要可调参数。
2012-04-09 cond-mat.soft q-bio.BM
Actively induced supercoiling can slow down plasmid solutions by trapping the threading entanglements
University of Vienna（维也纳大学）；University of Cambridge（剑桥大学）；Slovak Academy of Sciences（斯洛伐克科学院）；Sapienza University of Rome（罗马第一大学）
研究通过分子模拟探讨非平衡条件下超螺旋剂对质粒拓扑结构的影响，发现其能锁住线状缠结，减缓松弛过程，为动态调控大分子系统提供了新方法。
2026-04-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Multi-plectoneme phase of double-stranded DNA under torsion
我们利用蠕虫链模型研究了DNA在张力和扭矩作用下的超螺旋。该模型再现了广泛的力，盐浓度和轮廓长度的实验数据。我们发现一个平面的一阶相变结束在一个模糊的线的临界点，多plectoneme阶段，其特征在于由快速扭转介导的扩散plectoneme和扭矩上升后，plectoneme形成与连接数增加。这一新相的发现同时解决了现有模型与实验之间的差异。
2013-07-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Modeling Bacterial DNA: Simulation of Self-avoiding Supercoiled Worm-Like Chains Including Structural Transitions of the Helix
在超螺旋约束下，裸露的DNA，如大部分细菌DNA，折叠成称为plectonemes的编织结构。双螺旋也可以经历局部结构转变，导致变性气泡和其他替代结构的形成。已经开发了各种聚合物模型来捕获这些特性，其中Monte-Carlo（MC）方法专用于推断热力学特性。在本章中，我们将解释如何执行这样的蒙特卡罗模拟，以下两个目标。一方面，我们提出了自回避超螺旋蠕虫样链（ssWLC）模型，这是已知的捕捉超螺旋DNA的折叠特性，并提供了一个标准的MC模拟方法的详细解释。另一方面，我们解释了如何扩展这个ssWLC模型，包括螺旋结构的转变。
2017-08-07 physics.bio-ph q-bio.BM
Two Perspectives on the Twist of DNA
由于DNA的双螺旋结构，其中两条互补核苷酸链相互交错，因此任何一条链都没有中断的共价闭合DNA分子可以被视为两个互锁的单链环。数学家早就知道，两条封闭的空间曲线具有一种称为连接数的性质，这是一个拓扑不变的整数，可以表示为两个其他量的总和，其中一条曲线绕另一条曲线的扭曲，以及扭曲数，或扭曲，这是两条封闭曲线之一的平面性的手征失真的度量。在这里，我们推导出表达式的扭曲的超螺旋DNA和扭动的一个封闭的分子与现代的DNA作为一个序列的碱基对步骤。结构生物学家通常用六个刚体参数来描述每一步的空间分布，其中一个参数也被称为扭曲。感兴趣的是这个步骤参数扭曲和扭曲的超螺旋与一个给定的碱基对步骤之间的数学性质的差异。例如，事实证明，后者的扭曲，不像前者，是敏感的某些平移剪切变形的分子，是手性的性质。因此，通过比较蛋白质-DNA复合物的高分辨率结构的每一步的两个扭曲的值，例如，这里考虑的核小体，我们可能能够确定各种蛋白质的结合如何有助于DNA的手性结构变化。
2009-03-09 q-bio.BM
The study of water shell structure of double-helical B-DNA fragments using parallel computing
一些关于DNA水壳的结构，以及它如何有助于设计新的生物活性分子和潜在的药物与序列特异性结合的核酸。
2014-10-29 q-bio.BM
Single-molecule imaging of DNA gyrase activity in living Escherichia coli
细菌DNA促旋酶将负超螺旋引入染色体DNA，并松弛通过复制和瞬时转录引入的正超螺旋。这些正超螺旋的去除对于复制叉进展和两个双链DNA链的整体解链以及持续的转录是必不可少的。为了解决促旋酶如何应对这些拓扑挑战，我们在活大肠杆菌细胞中使用了高速单分子荧光成像。我们证明，在任何时候，至少有300个促旋酶分子稳定地结合到染色体上，每个复制叉附近富集了约12种酶。捕获的反应中间体与环丙沙星显示进行催化配合物。2秒的停留时间被观察到的分散的促旋酶分子，我们建议保持稳定状态的负超螺旋的染色体水平。相比之下，复制体近端分子的停留时间约为8秒，这与这些在进行中的复制体前面催化进行性正超螺旋松弛一致。
2018-11-02 physics.bio-ph q-bio.BM
Dynamical Scaling and Phase Coexistence in Topologically-Constrained DNA Melting
有一个长期的实验观察，拓扑约束的DNA，如环状封闭质粒的解链，是不那么突然比线性分子。这一发现指出了拓扑学在DNA变性物理学中的有趣作用，然而这一点却知之甚少。在这里，我们揭示了这个问题相结合的大规模布朗动力学模拟与解析可解的现象学朗道平均场论。我们发现，熔融和超螺旋之间的竞争导致在单分子水平上的变性相和完整相共存。这种共存发生在很宽的温度范围内，从而解释了转变的加宽。最后，我们的模拟显示了一个有趣的拓扑结构依赖的标度律管理的超螺旋质粒中的变性气泡的增长，这可以理解内提出的平均场论。
2017-03-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Parallel G-duplex and C-duplex DNA with Uninterrupted Spines of AgI-Mediated Base Pairs
核碱基之间的氢键产生不同的DNA结构基序，包括典型的双链体、鸟嘌呤（G）四链体和胞嘧啶（C）i-基序。将金属介导的碱基对引入核酸结构中可以引入新的功能和增强的稳定性。在这里，我们证明，使用质谱（MS），离子迁移谱（IMS）和荧光共振能量转移（FRET），由多达20个G-Ag（I）-G连续碱基对组成的平行链结构形成时，天然DNA序列与银阳离子在水溶液中混合。FRET表明由具有20个连续C-Ag（I）-C碱基对的聚（胞嘧啶）链形成的双链体也是平行的。银介导的G-双链体优先于G-四链体形成，并且Ag+将G-四链体转化为银配对双链体的能力可能提供操纵这些生物相关结构的新途径。IMS表明，G-双链体是线性的，比B-DNA更刚性。DFT计算用于提出与IMS实验兼容的结构。这种廉价、无缺陷且可溶的DNA基纳米线为新型金属介导的DNA纳米技术的设计开辟了新的方向。
2018-10-31 q-bio.BM
Large-scale chromosome folding versus genomic DNA sequences: A discrete double Fourier transform technique
使用最先进的技术，结合成像方法和高通量基因组作图工具，导致在详细描述各种生物体的染色体结构方面取得了重大进展。然而，在快速增长的染色体折叠结构数据和大规模基因组组织之间仍然存在差距。染色体折叠的部分信息是否可以直接从大量储存在数据库中的基因组DNA序列中获得？为了回答这个问题，我们开发了一个原始的离散双傅立叶变换（DDFT）。DDFT用于检测与不同层次染色体折叠的结构域/单元相关的大规模基因组序列。该方法是通用的，可以应用于基因组DNA序列和相应的物理化学参数，如碱基配对自由能。后者与复制和转录密切相关，也可用于评估温度或超螺旋对染色体折叠的影响。我们在大肠杆菌K-12的基因组上测试了该方法，发现与实验建立的注释结构域/单元具有良好的对应关系。作为DDFT进一步能力的简要说明，还增加了噬菌体PHIX 174和细菌Caulobacter crescentus的大规模基因组组织研究。结合实验，建模和生物信息学的DDFT分析应该产生更完整的知识的染色体结构和基因组组织。
2017-04-23 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
DNA Dynamics in A Water Drop
由于其多离子特性，DNA双螺旋仅在其电荷被溶剂反离子补偿的盐水介质中稳定和生物活性。一价金属离子普遍存在于DNA环境中，它们通常被认为是DNA结构的序列依赖性调节的驱动力，使其能够被蛋白质识别。为了直接检验这一假设，进行了DNA在被真空包围的水滴中的MD模拟，这减轻了电荷中性的要求。令人惊讶的是，零浓度的抗衡离子的十二聚体DNA双链体出现亚稳定的，其结构保持类似于在实验中观察到的。
2002-04-01 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
