Nonlinear Dynamics of DNA Chain
Slobodan Zdravkovic
解释了几个模型。详细研究了螺旋PB模型。结果表明，半离散近似屈服于沿链运动的呼吸子型孤子。该模型可以解释局部开放作为一种共振模式。此外，DNA-RNA转录是通过一个独立的模式来解释。
A couple of models are explained. Helicoidal PB model is studied in more details. It is shown that semi-discrete approximation yields to breather-type soliton moving along the chain. The model can explain local opening as a resonance mode. Also, DNA-RNA transcription is explained through a standing solitary mode.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
继续探索
Ionic Liquid-Driven Modulation of DNA Brush Morphology on Nanoparticle Surfaces
本研究探讨了离子液体对纳米颗粒表面DNA刷形态的调控作用，揭示了静电与沟槽结合相互作用在DNA链形态调控中的协同作用。
The Role of Chain Entropy in an Analytic Model of Protein Binding in Single-DNA Stretching Experiments
我们表明，张和Marko（物理评论E 77，031916（2008））提出的简单的分析模型来说明单DNA实验的麦克斯韦关系，可以通过包括高斯链的零力熵来改进。所得模型与离散持久链模型吻合良好，且形式便于分析实验数据。
Single-molecule stretching experiments of flexible (wormlike) chain molecules in different ensembles: Theory and a potential application of finite chain length effects to nick-counting in DNA
我们提出了一种形式主义推导力的延伸和延伸力的关系，柔性链分子的径向分布函数的解析表达式，这提供了洞察控制的渐近行为和有限的链长校正的因素。特别是，我们应用这种形式主义，我们以前开发的插值公式的蠕虫状链端到端的距离分布。由此产生的表达式的渐近极限的无限链长是类似的质量的数值评估Marko的和Siggia的变分理论和更精确的插值公式。数值数据的比较表明，我们的有限链长修正的解析表达式是类似的质量。作为我们的研究结果的应用，我们讨论了推断的可能性，在单分子拉伸实验中的双链DNA分子中的切口的数量的变化，从伴随的有效链长的变化。
Excited state dynamics in DNA double helices
最近的超快实验表明，链内碱基堆积而不是碱基配对介导了DNA链中光激发物质的命运和运输。本文采用$SU(2)\otimes SU(2)$晶格模型，结合链内和链间电子相互作用，研究了位于B型DNA poly（dA）. poly（dT）双链体腺苷或胸苷侧的初始激子态的量子力学演化。我们的计算表明，超过几百飞秒，腺苷激子仍然是一个有凝聚力的激子波包上的腺苷侧链的胸苷激子迅速分解成移动的电子/空穴对沿胸苷侧的链。在这两种情况下，在我们计算的时间尺度上，几乎没有转移到另一条链。我们将这些动力学的差异归因于沿着胸苷链的空穴与电子迁移率的大约4：1的比率。
The Worm-Like Chain Theory And Bending Of Short DNA
将全原子分子动力学模拟得到的双螺旋DNA弯曲角的概率分布与理论预测进行了比较。计算的分布显着同意蠕虫状链理论的双螺旋的一个螺旋圈和更长的时间，和定性不同的半弹性链模型的预测。计算的数据在短DNA的表观柔性中仅表现出小的异常，并且不能解释最近报道的AFM数据（Wiggins等人，Nature nanotechnology 1，137（2006））。目前的原子论DNA模型可能忽略了DNA在中等长度尺度上弯曲的一些基本机制。弯曲的DNA结构的分析表明，然而，弯曲运动是结构上的异质性和方向各向异性的中间长度尺度的实验异常被检测到。这些效应对于解释实验数据是必不可少的，它们也可能是造成明显差异的原因。
Separation of long DNA chains using non-uniform electric field: a numerical study
我们研究了DNA分子通过一系列由交流电场控制的电阱的微通道的迁移。我们描述了基于布朗动力学模拟的珠弹簧链的DNA的运动。我们的模拟表明，被电极捕获的链由于热涨落而从结合电场中逃逸。我们发现，链的迁移率将取决于链的长度，迁移率急剧增加时，链的长度超过一个临界值，这是强烈的影响所施加的交流电场的幅度。因此，我们可以调整长度制度，其中该微通道很好地分离DNA分子，而不改变通道的结构。我们还提出了一个理论上的洞察力的临界链长和场振幅之间的关系。
Numerical study of linear and circular model DNA chains confined in a slit: metric and topological properties
利用先进的蒙特卡罗模拟研究了纳米缝约束对模型DNA链的度规和拓扑性质的影响。我们考虑线性和环状链的轮廓长度在1.2- 4.8 $μ$ m的范围和狭缝宽度连续跨越50- 1250 nm的范围。由de Gennes的斑点模型预测的度量缩放被示出为线性和环状DNA保持到最强的限制水平。更值得注意的是，环状DNA分子的拓扑性质与三维限制相比有两个主要差异。首先，整体打结概率是非单调的增加限制，可以大大提高或抑制相比，散装的情况下，通过简单地改变狭缝宽度。其次，结人口由结，是远远简单的比三维约束。结果表明，纳米狭缝可用于纳米流体装置中，以产生具有简单拓扑结构（包括未结）的DNA环，或通过结类型分离DNA环的异质集合。
Electrophoretic Capture of a DNA Chain into a Nanopore
基于我们提出的孔附近DNA电泳的公式[P.Rowghanian和A. Y. Grosberg，Phys.Rev.E87，042723（2013）]，我们将电泳DNA捕获到纳米孔中作为粒子吸收到放置在能量屏障顶部的汇的稳态过程。我们的模型将之前观察到的扩散限制和势垒限制机制再现为粒子吸收过程的两个不同限制并匹配数据，表明对于非常大的DNA分子，捕获率随着DNA长度的增长比之前的模型更慢，激发了更多超出当前电场和DNA长度范围的实验。在中等强度的弱电场下，我们的模型预测了不同的效果，指出捕获率的DNA长度依赖性首先随着电场的减小而消失，并最终逆转为$N$的下降趋势。
Correlated local bending of DNA double helix and its effect on the cyclization of short DNA fragments
我们报告了DNA柔性的理论研究，并定量预测了环闭合概率作为DNA轮廓长度的函数。最近的实验研究表明，短DNA片段的柔性（与DNA l_P~150个碱基对的持久长度相比）不能用传统的蠕虫状链（WLC）模型来描述，例如，观察到的环闭合概率比预测的要高得多。为了解释这些现象，我们研究了DNA的柔性，并明确考虑了一个新的长度尺度l_D~10碱基对，在这个尺度上DNA的局部弯曲角是相关的。在这个相关蠕虫链（C-WLC）模型中，一个有限长度的校正项解析推导和持久长度被发现是轮廓长度依赖。虽然我们的模型简化为传统的蠕虫状链模型时，处理长DNA的长度尺度远大于1_P，它预测，DNA变得更灵活，在较短的尺寸，这有助于解释最近的环化测量的短DNA片段约100个碱基对。
Bubble dynamics in double stranded DNA : A Rouse chain based approach
我们提出了一个双链DNA局部变性区（气泡）的波动动力学模型。在我们的公式中，DNA链被建模为一个一维的劳斯链限制在两端。当链的横向位移达到一个临界值时，气泡形成。这个简单的模型有效地再现了自相关函数的标记的碱基对的DNA链中所测量的种子单分子实验Altan-Bonnet等。al（Phys. Rev. Lett. 90，138101（2003））。虽然我们的模型在数学上类似于Chatterjee等人提出的模型（J.Chem.Phys.127，155104（2007）），但它通过将链动力学通过受限的Rouse链结合而超越了单个反应坐标描述，从而考虑了动力学的集体性质。我们的模型还表明，自相关函数是非常敏感的正常模式的链的弛豫时间，这是显而易见的，因为气泡的波动动力学有来自不同的正常模式的链的贡献。
Absence of zero-temperature transmission rate of a double-chain tight-binding model for DNA with random sequence of nucleotides in thermodynamic limit
计算了实际DNA双链紧束缚模型的零温透射率谱。结果表明，只有当链长有限且链间耦合较强时，才存在类伸展态带。而在热力学极限下，整个光谱趋于零，与链间耦合强度无关。对于骨架结构中含有周期性糖-磷酸链的真实DNA，一个更忠实的模型可以映射到上述简单的双链紧束缚模型中。结合上述结果，预计具有长随机核苷酸序列的真实DNA的传输率较差。
Spin injection into a short DNA chain
用转移矩阵方法研究了DNA短链在铁磁电极上的量子自旋输运。我们描述了一个紧束缚模型的参数提取的实验数据和现实的金属能带系统。对于铁磁铁电极，发现30碱基对Poly（G）-Poly（C）DNA的磁阻在<4V的偏压下低于10%，但在5V的偏压下可以达到20%。当自旋-翻转耦合较弱，但是随着耦合变得较强，减小的磁阻发展出振荡行为。
Nonlinear molecular excitations in a completely inhomogeneous DNA chain
研究了受扰动的sine-Gordon方程控制的完全非均匀DNA链的非线性动力学。多尺度微扰分析提供了微扰扭结-反扭结孤子来表示具有小起伏的开态结构。由于非均匀性的扰动改变了孤子的速度。然而，孤子的宽度保持恒定。
Nonlinear waves in double-stranded DNA
我们提出了一个基于第一性原理的非线性模型来描述DNA的气泡动力学。我们的模型方程包括来自分子间振动模式的耗散效应的一项。这种模式是由传播的气泡激发的，我们称之为“曲率耗散”。我们推导的方程允许稳定的钉扎局部扭结形成的气泡。我们进行的稳定性分析，并指定本地化的解决方案的运动的能量要求。我们的研究结果与DNA动力学的性质是一致的，并可用于变性气泡，RNA和DNA转录，核苷酸切除修复和减数分裂重组的模型。
Analysis of DNA chains by means of factorial moments
通过阶乘矩的概念，我们检查DNA序列从酵母菌区分编码区和非编码区。结果表明，FM可能是DNA序列分析的有力工具。PACS编号：87.15.Cc，87.10.+ e，87.14.Gg
General criterion for controllable conformational transitions of single and double stranded DNA
溶液中的链状大分子，无论是生物的还是合成的，在温度或溶剂性质改变时从空间延伸构象转变为紧凑构象。这种急剧的转变在各种现象中起着关键作用，包括DNA缩合、蛋白质折叠和聚合物溶液的行为。在生物过程中，如DNA缩合，崩溃是敏感地诱导少量添加的分子。在这里，我们推导出一个一般标准的影响，这样的代理商的构象转变。我们发现两种不同的情况下，取决于链刚度。如果持续长度--链保持其方向的特征距离--小于由代理诱导的吸引相关性的范围（通常高达几纳米），则链逐渐收缩。较硬的链条会发生急剧的崩溃。因此，我们认为，双链DNA的刚性增强相比，单链是一个先决条件，尖锐的，可控的构象转变。
Efimov like phase of a three stranded DNA (Efimov-DNA) and the renormalization group limit cycle
已知仅具有短程碱基配对的三链DNA表现出量子Efimov效应的经典类似物，即，在两个链熔点处的三链结合状态，其中没有两个链结合。利用非微扰重整化群方法研究了刚性双链DNA和柔性第三链DNA在碱基配对和链交换作用下的相互作用，证明了Efimov-DNA与有效三链相互作用流的极限环型行为有关.分析还表明，热产生的气泡在产生效果中起着至关重要的作用。一个玩具模型的流动方程显示了极限环在一个扩展的三维参数空间的两链耦合和一个复杂的三链相互作用。
Stretching DNA in hard-wall potential channels
采用三维介观模型研究了DNA短链在封闭环境中的性质。圆柱形通道是由一个硬壁排斥势纳入系统哈密顿。宏观螺旋参数的计算执行统计平均的微观碱基对波动的合奏。平均分子伸长率，测量的端到端的距离，推导出作为一个函数的通道电位参数的均匀和异质链。整体结果表明，介观模型，与通道势项，产生一致的定量估计的拉伸和扭曲的短链。
DNA Barcodes using a Double Nanopore System
双纳米孔系统确定DNA条形码的潜力已经在实验中得到证实。通过对一个粗粒度的模型DNA进行布朗动力学模拟，蛋白质标签（条形码）在已知的位置沿链骨架，我们表明，由于标签之间的链段的速度变化很大，这是不可避免的低估/高估的遗传长度从实验电流封锁和飞行时间数据。我们表明，它是沿链的骨干，支配整个链的运动的张力传播，是关键的元素来解释的不均匀性和不同的速度的标签和DNA单体易位，引入错误的测量蛋白质标签之间的长度段。使用模拟数据，我们进一步证明，重要的是要考虑整个链的动态，并建议方法，以准确地破译条形码。我们介绍和验证的插值方案，使用模拟数据的标签分离的广泛分布，并建议如何实施该计划的实验。
Building up DNA, bit by bit: a simple description of chain assembly
我们模拟组装的DNA共聚物从两种类型的短双链体（短双链与单链突出端在每个末端），所描述的oxDNA模型。我们发现，链长的统计数据可以很好地再现一个简单的理论，把粒子的缔合成理想的（即，非相互作用）簇作为可逆化学反应。反应常数可以从Santalucia的理论或Wertheim的热力学微扰理论的球形斑片状粒子的关联预测。我们的研究结果表明，理论结合非常有限的分子细节可能是有用的预测广泛的共聚平衡功能。
Why is the condensed phase of DNA preferred at higher temperature? DNA compaction in the presence of a multivalent cation
当加入多价阳离子时，一个巨大的DNA链表现出从伸长的螺旋到折叠的紧凑状态的大的离散转变。我们在四价阳离子（精胺）的存在下，在各种温度和单价盐浓度下进行长DNA的单链观察。我们证实，在较高的温度和较低的一价盐浓度下，紧凑的状态是优选的。这一结果被解释为由于高价和低价离子之间的离子交换，小离子的净平移熵增加。
Knotting of linear DNA in nano-slits and nano-channels: a numerical study
DNA细丝自缠结的数量和类型受到空间限制的显著影响，这在生物系统中是普遍存在的。基于纳米流体装置的单DNA分子实验的最新进展，并通过引入能够检测开链中的结的算法，我们研究了限制在纳米狭缝内的线性开放DNA链的纠缠。研究结果考虑了发生结的丰度、类型和长度，并与纳米通道内DNA的最新发现进行了比较。在这两种情况下，限制区的宽度D跨越30 nm- 1μm范围，并且被限制的DNA链为1 - 4μm长。结果表明，缝宽在70- 100 nm范围内，打结概率最大。然而，在所考虑的DNA轮廓长度上，结的最大发生率保持在20%以下，而对于通道限制，其最高为50%。进一步的纠缠的差异被看作为打结区域的平均轮廓长度的显着下降到D ~ 100 nm的沟道限制，而它保持近似恒定的狭缝状限制。这些属性应该反映在不同的动力学性质的线性DNA取决于约束，可以检测实验或利用纳米技术的应用。
Twist-stretch profiles of DNA chains
螺旋分子在机械载荷的作用下改变其扭曲数。我们研究了一组由介观哈密顿量模拟的短DNA分子的扭曲-拉伸关系。有限温度路径积分技术被应用于产生一个大的合奏的可能的配置的碱基对的序列。该模型还考虑了沿分子堆叠的相邻碱基对之间的弯曲和扭曲波动。模拟了广泛的扭曲构象，我们计算的螺旋结构参数平均超过合奏的碱基对配置。对于任何施加的力，该方法选择使分子的自由能最小化的平均扭转角。据发现，链通常过扭曲下施加拉伸和过扭曲是物理上相关的平均螺旋直径的收缩，即阻尼的碱基对波动。相反，假设弯曲波动的最大幅度可能会随着外部载荷而减小，则DNA分子首先在弱作用力下过度扭曲，然后在特征力值以上解扭曲。我们的研究结果进行了讨论，虽然为千碱基长的分子的实验信息。
Thermal Denaturation of Fluctuating DNA Driven by Bending Entropy
一个统计模型的均聚物DNA，耦合内部碱基对状态（未断裂或断裂）和外部的热链波动，准确地解决了使用转移核技术。推导了变性气泡分数及其相关长度对温度和DNA长度的依赖关系。当链波动被整合出来时，热变性转变自然出现，并且由断裂和未断裂链段之间的弯曲（熵主导）自由能的差异驱动。DNA的构象性质，如持续长度和均方半径，也被明确计算，导致，例如，实验观察到的热粘度转变的一个连贯的解释。
Bacterial chromosome organization I: crucial role of release of topological constraints and molecular crowders
我们在以前的研究中表明，在细菌DNA轮廓的特殊点上，$3\%$交联有助于DNA聚合物以微米长度尺度组织\cite{jpcm,epl}。在这项工作中，我们研究如何释放的拓扑约束有助于组织的DNA聚合物。此外，我们表明细菌细胞质中拥挤环境诱导的链压实有助于DNA聚合物的组织。我们将DNA链建模为柔性珠-弹簧环聚合物，其中每个珠代表$1000$碱基对。交联的具体位置取自细菌的实验接触图{ \em C. crescentus}和{ \em E. coli}。我们引入不同程度的拓扑约束在我们的模型中，通过系统地改变单体珠的直径。它从可以自由发生链交叉的值变化到不允许链交叉的值。我们还研究了分子拥挤的作用，通过引入一个有效的Lennard琼斯吸引单体之间。使用蒙特卡罗模拟，我们表明拓扑约束的释放和拥挤环境对于获得聚合物的独特组织起着至关重要的作用。
The interplay between thermodynamics and kinetics in the self-assembly of DNA functionalized nanoparticles
我们使用一个粗粒度的DNA功能化粒子模型来理解DNA链长度对其自组装的作用。我们发现，对于一个给定的颗粒尺寸增加链长降低的倾向，形成有序的晶体组件，相反，无序结构开始形成时，链长超过一定的阈值，这是与以前的实验一致。模拟数据的进一步分析表明，随着链长的增加，颗粒间的相互作用减弱，从而将合适的组装条件转移到组装动力学不利的较低温度。这突出了热力学和动力学之间复杂的相互作用，我们建议可以通过改变系统参数（如DNA接枝密度）来调节，从而使具有较长DNA链长的颗粒成功结晶。我们的研究结果突出了计算建模在阐明基本设计原则和指导纳米粒子组装形成复杂纳米结构方面的作用。
Nonlinear dynamics of DNA systems with inhomogeneity effects
我们调查的非线性动力学的Peyrard-Bishop DNA模型考虑到网站依赖的不均匀性。通过半离散近似下的多尺度展开，动力学方程由微扰的非线性薛定谔方程控制。我们进行了多尺度孤子微扰分析，以发现各种非线性不均匀性对呼吸孤子解的影响。在非均匀性的交叉过程中，孤子的相干结构是稳定的。非均匀分子的整体形状与均匀分子的形状合并。然而，速度，波数和角频率进行依赖于时间的修正，这是成比例的初始宽度的孤子，并依赖于性质的不均匀性。
Coupling between denaturation and chain conformations in DNA: stretching, bending, torsion and finite size effects
我们进一步开发了耦合DNA中的变性和链构象的统计模型（Palmeri J，Manghi M和Destainville N 2007 Phys. Rev. Lett. 99 088103）。我们的离散螺旋蠕虫链模型明确考虑了三个弹性自由度，即聚合物的拉伸，弯曲和扭转。通过整合这些外部变量，构象熵有助于气泡成核（碱基对的打开），这揭示了DNA解链机制。由于单体长度、弯曲模量和扭转模量的值在dsDNA和ssDNA中显著不同，因此这些效应是重要的。此外，我们探讨在这种情况下，一个额外的循环熵的作用和分析有限尺寸的影响，在实验的情况下，polydA-polydT是由两个G-C链，以及自由聚合物夹紧。
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。
Binding of molecules to DNA and other semiflexible polymers
本文提出了一种小分子如表面活性剂与半柔性聚合物结合的理论。假设持久长度比单体尺寸大，但比总链长小得多。这种聚合物（例如DNA）代表了柔性聚合物和刚性棒状聚合物之间的中间情况，其与小分子的关联先前已被研究过。这些链不够灵活，不能积极参与自组装，但它们的波动会诱导结合分子之间的长程吸引力相互作用。在结合显著影响局部链刚度的情况下，这些相互作用导致非常尖锐的合作缔合。这种情况与DNA与表面活性剂和紧凑蛋白如RecA的关联有关。施加在链上的外部张力被发现显着修改通过抑制波动引起的相互作用的结合。
Elucidation of Conformational Hysteresis on a Giant DNA
通过实验和理论方法研究了凝聚剂介导的大分子DNA在本体溶液中的构象行为。实验上，观察到一个显着的构象滞后折叠和展开过程中，通过增加和减少缩合剂PEG（聚乙二醇）的浓度，分别。为了阐明所观察到的滞后现象，半柔性链模型进行了研究，通过使用蒙特卡罗模拟的线圈球转变。在模拟中，滞后回线出现足够硬的链，折叠和展开过程的不同途径。同时，我们的结果表明，在磁滞回线中，球状态比卷曲态更稳定。我们的研究结果表明，增加链刚度可能会减少相关的折叠途径，这阻碍了折叠过程中的链构象。
The crowding effect on the melting of short DNA: Comparison with experiments
我们研究了同质和异质DNA分子的熔化曲线上的拥挤效应。我们得到了短DNA分子的解链曲线，并与实验结果进行了比较。我们考虑一些随机分布的crowders沿链，并找出最佳匹配的实验，我们试图确定的位置，拥挤的Ghosh \cite{Ghosh_PNAS_2020}的实验结果。我们还研究了在链中仅存在一个拥挤剂的情况下不同长度（25，50，75）的同质DNA分子的熔化。通过改变拥挤的位置从一端到另一端，我们发现，熔化温度是易受拥挤的位置在两端。同时，由于拥挤器的位置，对熔化温度的影响最小。{ \it在体内}，拥挤物的强度可沿链变化。本文研究了五种不同强度的拥挤剂存在下长异质链的熔化。我们发现，有一个显着的变化，在熔化过程中的DNA存在的拥挤的可变强度。
Self-assembly of DNA-functionalized colloids
接枝有单链DNA（ssDNA）链的胶体颗粒可以自组装成许多不同的晶体结构，其中ssDNA链的杂交在胶体之间产生稳定其结构的连接。根据颗粒的几何形状和大小、ssDNA链的接枝密度以及DNA序列的长度和选择，可以制造许多不同的晶体结构。然而，理解这些因素如何协同地促进DNA官能化纳米或微米尺寸的颗粒的自组装过程仍然是一个密集的研究领域。此外，由于自组装中的动力学瓶颈而导致的长距离结构的制造是额外的挑战。在这里，我们讨论了从理论和实验的最新进展，特别侧重于最近的模拟研究。
Tunable Thermal Switching via DNA-Based Nano Devices
DNA有一个明确的结构转变-双链形式变性为两条单链-这强烈影响其热传输特性。我们表明，根据广泛实施的DNA变性模型，可以设计DNA“heattronic”设备，在变性转变（~350 K）的狭窄温度范围内具有快速增加的热导率。电导的这种快速增加或“切换”的起源是当温度越过转变温度和DNA变性时晶格的软化和非线性效应的抑制。最重要的是，我们证明了DNA纳米结具有广泛的热可调性，由于不同的序列和长度，并利用潜在的非线性行为。我们讨论了碱基序列中无序的作用，以及与基因组DNA的关系。这些结果为开发具有非线性结构动力学的材料的热器件以及理解DNA变性的潜在机制奠定了基础。
Physical Questions Posed by DNA Condensation
当将多价盐加入稀释的DNA溶液中时，DNA链凝聚成明确尺寸的束。我们探索了由这种现象引发的两个物理问题：高度带负电荷的DNA链之间吸引力相互作用的起源，导致它们聚集成束，以及证明束不会无限大的机制。
A generalized theory of semiflexible polymers
DNA在短于持久长度的长度尺度上的弯曲在遗传信息从DNA到细胞功能的翻译中起着不可或缺的作用。这些生物系统的定量实验研究导致了新的兴趣，在聚合物力学相关的描述构象自由能的DNA弯曲诱导蛋白质-DNA复合物。最近的实验结果从DNA环化的研究投下了怀疑的适用性的规范半柔性聚合物理论，蠕虫状链（WLC）模型，DNA弯曲的生物长度尺度。本文发展了一类广义半柔性聚合物模型的链统计理论。我们的重点是这些模型的理论发展和实验观测值的计算。为了说明我们的方法，我们专注于一个特定的玩具模型的DNA弯曲。我们表明，WLC模型一般描述的长尺度链统计的半柔性聚合物，预测的重整化群。特别是，我们表明，无论是WLC或我们的新模型充分描述力延伸，解决方案散射，和长轮廓长度环化实验，无论DNA弯曲弹性的细节。相反，对短尺度链行为敏感的实验原则上可以揭示出与WLC模型中假设的线性弹性行为的巨大偏离。我们明确地证明了这一点，表明我们的玩具模型可以重现Cloutier和Widom观察到的异常大的短轮廓长度环化J因子。最后，我们讨论了这些模型的DNA链统计在未来的实验中的适用性。
Spatial and topological organization of DNA chains induced by gene co-localization
转录活性已被证明与真核细胞核和细菌类核中染色体的组织有关。特别是，高度转录的基因、RNA聚合酶和转录因子聚集成离散的空间焦点，称为转录工厂。然而，这些病灶的形成机制和由此产生的染色体拓扑顺序仍有待阐明。在这里，我们考虑一个基于染色体蠕虫状链模型的热力学框架，其中沿着DNA的稀疏指定位点只要在空间上靠近就能够相互作用。这是由于反复出现的证据表明，共同运作的基因之间存在物理相互作用。从这个简单的框架中得出了三个重要的结果。首先，转录焦点的形成可以被看作是相互作用位点与DNA其余部分的微相分离。在这方面，热力学分析表明，转录因子是适当的候选人介导的基因之间的物理相互作用。接下来，聚合物的数值模拟揭示了与不同拓扑有序相关联的丰富多样的相，每个相都提供了一种增加相互作用位点的局部浓度的方法。最后，数值结果表明，一维聚类和周期性的位置沿DNA的结合位点，这已被观察到在几种生物，使多个家庭的基因的空间协同定位特别有效。
Dynamical model for the full stretching curve of DNA
我们提出了一个唯象动力学模型，能够描述DNA长度随外力变化曲线的拉伸特性。至于链，该模型是基于离散蠕虫链模型与弹性修改，适当地描述了在低和中等力的伸长功能。的动力学是在一个双阱势与线性项，其中，在高的力，占窄过渡存在于DNA伸长（过度拉伸）。模拟结果与实验结果吻合较好。
A simple model for DNA denaturation
在波兰和Scheraga之后，我们考虑了DNA变性转变的简化模型。这两条链被建模为相互作用的聚合物链。吸引力的相互作用，模仿四个碱基之间的配对，减少到一个单一的短程结合期限。此外，禁止碱基对错位，这意味着这种结合术语只存在于两条链的相应（相同的曲线横坐标）单体。我们考虑了两链单体之间的排斥体积排斥，而忽略了链内排斥。我们发现，排除的体积项产生了一个有效的排斥链之间的相互作用，衰减为$1/r^{d-2}$。由于链之间的这种长程排斥，变性转变在任何维度上都是一级的，与以前的研究一致。
Parameter-free prediction of DNA dynamics in planar extensional flow of semidilute solutions
使用多粒子布朗动力学算法，它结合了流体动力学和排除体积相互作用的上下文中的粗粒度珠弹簧链模型的DNA在semidilute解决方案进行平面拉伸流的单个DNA分子的动力学模拟。连续的细粒度协议[1，2]，其中获得的珠弹簧链的模拟数据与珠$N_b$的数量增加的值，外推到DNA中的库恩步骤$N_\text{K}$的数量（同时保持关键的物理参数不变），用于获得一系列的Weissenberg数和Hencky应变单位的无参数预测。模拟预测与[3]的实验观察进行了系统的比较，[3]最近使用单分子技术研究了$λ$ -噬菌体DNA的稀释和半稀释溶液在平面拉伸流中的动力学。特别是，他们研究了单个链对步应变变形的响应，然后停止流动，从而在单个实验中捕获链拉伸和松弛。连续细颗粒化技术，导致定量准确的预测拉伸和松弛阶段的实验观察。此外，瞬态链拉伸后的步骤应变变形被证明是小得多，在半稀释溶液中比在稀溶液中，与实验观察。
Efficiency of DNA replication in the Polymerase Chain Reactio
我们提出了一个详细的聚合酶链式反应的动力学模型，并模拟的物理参数的问题的复制的概率。应用分支过程理论，我们证明了一个新的影响复制体数目概率分布函数的现象：对于少量的初始分子，概率密度函数的极限行为（随着循环数的增加）由一个多峰函数表示.
Elasticity of a DNA chain dotted with bubbles under force
当DNA链受到一个方向相同的力时，柔性和沿着力的方向的延伸分别与气泡数波动和气泡的平均数有关，这里我们称之为拉伸力。力-温度相图表明存在三临界点（TCP），在那里一阶力诱导的拉链转变变得连续。另一方面，当两个力作用在相反的方向上时，我们称之为解链力，转变仍然是一级的，对于半柔性DNA来说，低温再入相可能会消失。此外，我们还发现，只有当一个外力穿透束缚相并影响气泡状态时，体弹性才会发生变化
Efimov effect of triple-stranded DNA: Real-space renormalization group and Zeros of the partition function
利用实空间重整化群和精确递推关系研究了三链DNA的解链。一个不寻常的Efimov类似物三链结合状态，出现在临界熔化的双链DNA的预测，证实了由配分函数的零。已详细研究了各种情况下的零点的分布。我们表明，Efimov DNA可以发生，即使三链（即。例如，三单体）相互作用本质上是排斥的。在更高的维度中，在这个排斥区出现的一个惊人的结果是从临界状态到Efimov DNA的连续过渡。
Electronic Excitation Response of DNA to High-energy Proton Radiation in Water
缺乏对DNA对带电粒子辐射（如高能质子）的电子激发响应的分子水平理解，仍然是推进质子和其他离子束癌症治疗的基本科学瓶颈。特别是，不同类型的DNA损伤对高能质子的依赖性代表了一个重要的知识空白。在这里，我们采用第一性原理实时依赖于时间的密度泛函理论模拟，使用一个并行的超级计算机，解开能量转移的量子力学细节从高能质子到DNA在水中。计算结果表明，质子沉积在DNA糖磷酸侧链上的能量比沉积在核碱基上的能量多得多，并且预计在DNA侧链上的能量转移比在水上的能量转移大。作为这种电子停止过程的结果，在DNA侧链上产生高能空穴作为氧化损伤的来源。
Scaling theory of DNA confined in nanochannels and nanoslits
对长DNA在纳米通道和纳米缝中的统计特性进行了标度分析。有人认为，有几个制度之间的de Gennes和Odijk的限制很久以前介绍。DNA链折叠回自身，从而产生全局持久长度，由于熵偏转，全局持久长度可能非常大。此外，有一个取向之间的排斥体积效应的DNA片段施加单独的纳米约束。这两个影响导致链统计是复杂的，导致非平凡的幂律的链延伸在中间政权。需要强调的是，纳米通道内的DNA限制与纳米缝中的DNA限制不同，因为各自的取向排斥体积效应不相同。
Unwrapping of DNA-protein complexes under external stretching
研究了由半柔性链和具有吸引力的球形核组成的DNA-蛋白质复合物，当链的一端单体受到外力作用，而另一端单体在空间保持固定时的情况.在没有拉伸力的情况下，链条缠绕在芯上。通过施加外部拉伸力，诱导复合物的解缠绕。我们通过计算机模拟和简单的唯象理论来研究解缠过程的静态和动态。我们发现两种不同的情况下，取决于链的刚度：对于一个灵活的链，复杂的规模线性的外力的扩展。球-链复合体是无序的，即链围绕球没有明显的缠绕。另一方面，对于刚性链，复杂的结构是有序的，这让人想起核小体。外拉伸下的解缠过程是不连续的，距离-力曲线有跳跃。这与复合物的离散解旋过程有关。我们的预测是相关的实验，测量力延伸曲线的DNA-蛋白质复合物，如核小体，使用光镊。
Bending and Twisting Elasticity: a Revised Marko-Siggia Model on DNA Chirality
提出了一个修正的Marko-Siggia DNA双螺旋弹性模型[Macromolecules 27，981（1994）]，它包括WLC弯曲能和一个新的手性扭曲能项。据预测，平均螺旋重复长度（HRL）的短DNA环的增加，随着链长的减少，而对于很长的链，它们的平均HRL是相同的，无论是链长和两端是否封闭，它比直的DNA的值更长。我们的结果与实验符合得很好。
Role of special cross-links in structure formation of bacterial DNA polymer
使用数据从接触地图的DNA聚合物的$E. Coli$（在双链酶对分辨率）作为输入到我们的模型，我们引入交联单体之间的珠弹簧模型的环聚合物在非常特定的点沿链。通过适当的蒙特卡罗模拟，我们表明这些交叉连接的存在导致DNA大（微米）长度尺度上链的特定结构和组织。我们还研究了一个环聚合物的结构，在随机位置沿链的交联数相等。我们发现，虽然聚合物在大的长度尺度上确实得到组织，但组织的性质与在特定生物学确定的位置上观察到的交联的组织完全不同。我们使用了$E. Coli$细菌的接触图，该细菌在单个环形染色体中具有约$4.6$百万个碱基对。在我们的粗粒柔性环聚合物模型中，我们使用$4642$单体珠粒，并观察到$80$周围的交联足以诱导分子的大规模组织，解释由热能引起的统计波动。即使是简单的细菌细胞（如$E. Coli$）的DNA链长度也比典型的蛋白质长得多，因此我们避免了用于解决蛋白质折叠问题的方法。我们定义了新的合适的量来识别具有少量交联的聚合物链的大尺度结构。
Nonlinear Mechanical Response of DNA due to Anisotropic Bending Elasticity
考虑到由双螺旋结构引起的弯曲刚度的各向异性，研究了短DNA片段对弯曲的响应。它示出的各向异性引入一个有效的非线性扭曲弯曲耦合，可以导致形成扭结和调制的曲率和/或扭曲，这取决于弹性常数和所施加的偏转角的值。调制的典型波长，或相邻扭结之间的距离被发现是由DNA间距的一半。
Polyelectrolyte-Compression Forces between Spherical DNA Brushes
采用光镊测量单对DNA接枝胶体内的相互作用力，其依赖于DNA链的分子量以及周围离子介质的浓度和价态。所产生的力是短程的，并且随着胶体核之间的表面到表面的距离达到刷子高度的值而设置。测量的力-距离依赖性分析的基础上的压缩的链上的表面上的相对说谎的胶体的理论处理装置。定量协议与实验获得所有参数组合。
Short DNA persistence length in a mesoscopic helical model
通过计算二聚体之间的平均关联函数来研究短DNA链的柔性，该函数定义了持久长度。路径积分技术已被应用到限制相空间可用于碱基对波动，并推导出配分函数。一组短链的表观持续长度已被计算为扭曲构象的函数在过扭曲和无扭曲的制度，从而平衡扭曲自由能最小化选择。所获得的值显着低于那些通常归因于千碱基长的DNA。这表明，在短的长度尺度，从大的波动效应和局部弯曲所产生的内在螺旋的灵活性，符合最近的实验迹象。螺旋解旋和持久性长度之间的相互作用已被讨论了一个异质片段的序列特异性通过非线性堆积电位的影响进行权衡。
DNA flexibility on short length scales probed by atomic force microscopy
最近有报道称，DNA在短长度尺度上具有异常高的弯曲柔性。我们使用原子力显微镜（AFM）的解决方案，以获得直接估计的DNA弯曲统计尺度下降到一个螺旋圈。DNA的行为似乎是高斯链，并且在超过3个螺旋圈（10.5纳米）的长度尺度上可以用蠕虫状链模型很好地描述。低于这个阈值，AFM数据表现出越来越多的噪音，因为实验的限制。这种噪声可能会隐藏高斯行为的小偏差，但它们几乎不可能是显著的。
Electrostatic effects in DNA stretching
从理论上研究了半柔性单链在中等屏蔽和弱屏蔽条件下对拉伸的响应，并着重于DNA实验。通过使用非线性Poisson-Boltzmann描述的链的静电自相互作用，我们明确地证明了有效电荷的概念的某些方面的问题的适用性。这个电荷可以从完全排列的链的静电势的远场渐近行为中提取。令人惊讶的是，在有效电荷方面，静电重整化的持久长度可以正式描述由经典的Odijk-Skolnick-Fixman（OSF）公式，其适用范围仅限于线性化德拜-休克尔（DH）近似。然而，在非线性区域链的短长度行为偏离DH-为基础的结果，即使在电荷重整化。这种差异在计算强电荷DNA的拉伸曲线中得到了揭示，我们的结果与最近的实验结果符合得很好。在弱屏蔽的限制，我们预测的弹性响应有一个独特的两阶段的字符，与一个奇特的中间“不可拉伸”制度。
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。
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。
Programming Nonlinear Interfacial Mechanics of Synthetic Cells: Lipid Geometry and DNA Nanostructures
通过调节脂质几何和DNA纳米结构，研究实现了对合成细胞非线性界面力学的编程，建立了分子设计原则和定量基础。
Inferring the effective thickness of polyelectrolytes from stretching measurements at various ionic strengths: applications to DNA and RNA
借助于厚链模型，我们讨论了聚合物的拉伸响应如何受到其有限厚度所带来的自回避效应的影响。通过大量的随机模拟进行了表征的力与延伸曲线的厚链。计算结果被捕获的分析表达式，用于适应实验拉伸测量进行DNA和单链RNA（聚-U）在各种解决方案。这种策略使我们能够推断两种生物相关的聚电解质，即DNA和聚-U，不同的离子强度的表观直径。由于两种分子的柔性程度非常不同，结果提供了对表观直径如何受到（溶液依赖性）德拜屏蔽长度和聚合物“裸”厚度之间的相互作用的影响的见解。对于DNA，静电的有效半径，$Δ$的贡献，被发现是大约5倍以上的德拜屏蔽长度，与以前的理论预测一致的高度带电的刚性棒。对于更灵活的聚-U链的静电贡献$Δ$被发现是显着小于德拜屏蔽长度。
Self-assembly of short DNA duplexes: from a coarse-grained model to experiments through a theoretical link
包含6至20个碱基对的短平端DNA双链体由于末端碱基对之间的疏水堆积相互作用而自组装成多分散半柔性链。在取决于温度和双链体长度的临界浓度以上，这样的链有序进入液晶相。在这里，我们调查的自组装这样的双螺旋双分子与相结合的数值和理论方法。我们采用Ouldridge等人最近提出的粗粒度DNA模型[J. Chem. Phys. 134，08501（2011）]模拟了本体系统。然后，我们直接从DNA模型中评估理论框架的输入量。由此产生的无参数的理论预测提供了一个准确的描述在各向同性阶段的模拟结果。此外，理论各向同性-非晶相边界与实验结果一致，提供了一种估算堆垛自由能的途径。
On the length scale dependence of DNA conformational change under local perturbation
DNA分子的构象变化在多种生物过程中经常被观察到，并且已经使用具有非线性势能的强耦合振荡器链来建模。虽然已经研究了模型中构象变化的机制和性质，并开发了几种降阶模型，但作为振子链长度的函数的构象动力学相对不太清楚。为了解决这个问题，我们使用了修改的Lindstedt-Poincare方法和数值计算。我们计算模型的非零模式的频率的扰动扩展，发现近似这些模式与他们的未扰动的动力学，在以前的降阶模型，可能不会举行时，DNA模型的长度增加。我们调查的构象变化的局部扰动模型的不同长度，发现对于选定的输入和参数，有两个区域的DNA长度的模型中，第一个进行构象变化所需的最小能量随着DNA长度的增加;第二，它几乎是独立的DNA模型的长度。我们分析了这些模型中的构象变化，通过增加随机性的本地扰动，发现该系统的趋势，以保持在一个稳定的构象对随机扰动的DNA长度的增加而减少。这些结果将有助于理解DNA分子的长度在影响其构象动力学中的作用。
Entropy loss in long-distance DNA looping
在长链段的限制下，从标度方法计算了由于在环形和线性DNA链中形成一个或多个环而导致的熵损失。分析结果允许获得一个给定的配置的熵损失的快速估计。一些例子中得到的数值表明，在典型的基因开关中，在环路闭合中遇到的熵损失可能成为一个相关的因素，它必须被克服的成环接触位点之间的释放的键能。
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