Bubbles, clusters and denaturation in genomic DNA: modeling, parametrization, efficient computation
本文使用介观，非线性晶格动力学（Peyrard-Bishop-Dauxois，PBD）建模来描述DNA在变性温度以下和附近的热性质。计算效率的符号介绍了相关的统计力学。计算的熔化配置文件的长和短的异质序列，使用最近推出的重新参数化的PBD模型，并严格讨论。扩展开放的气泡和绑定集群的统计制定和结果，为选定的例子。
2011-02-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Lengthscales and Cooperativity in DNA Bubble Formation
不同大小的热激活DNA气泡似乎在重要的遗传过程中发挥着核心作用。在这里，我们表明，这种泡沫的形成的概率是由软AT对在特定区域的长度，在生理温度下的顺序（但不等于）的大小的泡沫的数量。分析是基于Peyrard-Bishop-Dauxois模型，其平衡统计性质已在这里准确计算的传递积分方法。
2005-11-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Comment on "Can one predict DNA Transcription Start Sites by Studying Bubbles?"
关于T. S van Erp，S. Cuesta-Lopez，J. G. Hagmann和M. Peyrard，Phys. Rev. Lett. 95，218104（2005）[arXiv：physics/0508094].
2005-12-09 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Localization of Denaturation Bubbles in Random DNA Sequences
我们研究了长的、拉伸的DNA随机序列中扭曲诱导的变性泡的热力学和动力学行为。与弱扭曲相关联的小气泡是离域的。在阈值扭矩以上，几十个碱基或更大的气泡变得优先定位于富含\AT的区段。在本地化的制度，气泡表现出“老化”和移动亚扩散与连续变化的动态指数。这些性质是使用大偏差理论的结果与标度参数，并验证了蒙特卡罗模拟。
2003-02-28 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Can one predict DNA Transcription Start Sites by studying bubbles?
据推测，由于热波动而形成的几个碱基对的气泡是生物活性位点的指示。最近的证据，基于实验和分子动力学（MD）模拟使用Peyrard-Bishop-Dauxois模型，似乎指向这个方向。然而，足够大的气泡很少出现，这使得即使对于极小模型也难以精确计算。在这封信中，我们介绍了一种新的方法，是数量级快于MD。使用这种方法，我们表明，目前的证据是未经证实的。
2005-11-07 physics.bio-ph physics.comp-ph
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。
2004-12-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Comment on "Bubble nucleation and cooperativity in DNA melting" [Phys. Rev. Letters 94, 035504 (2005), arXiv:cond-mat/0412591]
本函arXiv：cond-mat/0412591中给出的结论依赖于不收敛的计算，应谨慎考虑。
2008-11-24 physics.bio-ph
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
Control of DNA denaturation bubble nucleation to advance nano-biosensing
在要求苛刻的生物传感环境中，提高选择效率策略已成为一个具有重要意义的问题。含有200至400个碱基对的DNA微环，也称为microDNA，是自然界中发现的超螺旋DNA环的代表。它们的短尺寸使它们非常容易扭动和扭曲，这是已知的在DNA变性中起核心作用。我们研究微环长度和超螺旋密度，诱导DNA变性气泡的纳米尺寸和控制定义明确的长寿命。介观建模和加速动力学模拟使我们能够准确地研究与长寿命变性气泡的成核和闭合机制相关的热力学和动力学性质。我们的研究结果为新型的DNA生物传感器铺平了道路，对特定的DNA结合蛋白具有更高的选择性。
2018-05-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Helix untwisting and bubble formation in circular DNA
研究了环状分子的碱基对涨落和螺旋解扭。提出了一个包含扭转自由度和分子轴弯曲的真实介观模型。的计算方法，路径积分技术的基础上，模拟分布的拓扑异构体与不同的扭曲数，并发现积极最有利的分子构象作为温度的函数。该方法可以在较宽的温度范围内预测特定序列的螺旋重复序列、开口位点和气泡大小。最近在哺乳动物细胞中发现的短DNA环的一些结果。
2013-05-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
DNA denaturation bubbles: free-energy landscape and nucleation/closure rates
采用粗粒度元动力学和布朗模拟方法研究了DNA中非超螺旋应力诱导变性气泡的成核和缓慢闭合机制。一个最小的介观模型是使用的双螺旋线是由两个相互作用的珠弹簧旋转股在双工状态与规定的扭转模量。我们证明，时间尺度的成核（分别。关闭）的约10个碱基对的气泡，与实验一致，是与交叉的自由能势垒的$22~k_{\rm B}T$（分别。$T$）。元动力学允许我们准确地重建自由能景观，以表明自由能障碍来自气泡和双态之间的扭转能量的差异，从而突出限制步骤，集体扭曲，控制成核/闭合机制，并访问毫秒范围内的开放时间尺度。与小的呼吸气泡相反，这些超过4个碱基对的气泡具有生物相关性，例如当特定DNA结合蛋白需要预先存在的变性状态时。
2015-01-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Nanomechanical resonance captures pre-melting transition in DNA unravelling
双链DNA通过中间变性的气泡片段热解开。内在地，波动在气泡边界处从与环境的非平衡（NE）能量交换而发生。然而，这样的细节变得模糊的大种群动力学在宏观尺度上，关联平衡路径的解开景观。在这项工作中，我们捕获的微流体悬臂与皮升样品的波动能量学的证据。我们利用纳米机械共振测量NE能量交换通过耗散，揭示了一个关键的预熔化转变在T~ 42 C。这意味着解开可能通过中间的气泡构象释放能量进行，足以解开气泡末端，帮助进一步解开。波动定理解释了观测结果，为研究其他生物现象中的波动动力学开辟了进一步的途径，这些生物现象也通过类似的NE能量学进行。
2018-09-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Bubbles and denaturation in DNA
从统计物理学的角度来看，DNA的局部开放是一个有趣的现象，但也是其生物功能所必需的。例如，如果没有DNA双螺旋的解旋，我们遗传密码的转录和复制就无法发生。虽然这些生物过程是由蛋白质驱动的，但这些生物开口与由于热波动而自发形成的气泡之间可能存在关系。介观模型，如Peyrard-Bishop-Dauxois模型，相当准确地再现了一些实验变性曲线和急剧的相变的热力学极限。因此，人们很想知道这些模型是否可以用来预测DNA的生物活性。在以前的研究中，我们介绍了一种方法，可以获得非常准确的结果，这表明，在这个方向上，以前的一些索赔，基于分子动力学研究，是不成熟的。这可能意味着目前的PBD应该得到改善，或者生物活性只能在涉及与蛋白质和超螺旋应力相互作用的更复杂的框架中预测。在本文中，我们对前面介绍的统计方法进行了详细的描述。此外，对于几个DNA序列，我们给出了一个彻底的分析的气泡统计作为位置和气泡大小的函数和所谓的$l$ -变性曲线，可以通过实验测量。这表明，一些重要的实验观察在本模型中丢失。我们将讨论如何改进现有的模型。
2006-12-22 physics.bio-ph
Low-Energy DNA Bubble Dynamics via the Quantum Coulomb Potential
本研究提出一个低能模型，利用虚时间薛定谔方程和量子库仑势描述DNA气泡动力学，得到概率密度等解析结果，与福克-普朗克方程一致，并与伽马及扩散模型比较。
2025-10-14 cond-mat.soft math-ph math.MP
Non-equilibrium lifetimes of DNA under electronic current in a molecular junction
本研究通过Keldysh-Langevin分子动力学揭示分子结中电子电流对DNA非平衡寿命的双重影响：低电压下失稳而高电压下重新稳定，并阐明Landauer吹焰效应及电流加热机制。
2025-10-28 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.chem-ph
Modulation of DNA loop lifetimes by the free energy of loop formation
细胞中遗传信息的存储和检索是一个动态的过程，需要DNA经历戏剧性的结构重排。DNA成环是这种结构重排的一个突出例子，这种结构重排对于原核生物和真核生物的转录调控都是必不可少的，并且这种调控的速度影响个体的适应性。在这里，我们研究在体外循环动力学的经典紫胶阻遏基因调控基序。我们发现，在DNA-阻遏物交界处的循环协会和循环解离依赖于DNA和蛋白质的弹性形变，并且成环和解环速率近似与成环J因子成比例，这反映了系统的变形自由能。我们用过渡态理论解释了这一现象，并将DNA-蛋白质复合物模拟为一个有效的蠕虫状扭曲链。我们引入了一个有限的蛋白质-DNA结合相互作用的长度，在竞争的特征DNA变形长度尺度，作为物理起源的以前未识别的环解离动力学观察到这里，并讨论了这种行为的鲁棒性扰动在几个聚合物参数。
2015-01-05 physics.bio-ph
Base-pair mismatch can destabilize small DNA loops through cooperative kinking
碱基对错配可以缓解高应变DNA分子中的机械应力，但它如何影响其动力学稳定性尚不清楚。使用单分子荧光共振能量转移（FRET），我们测量了有和没有碱基对错配的紧密弯曲的DNA环的寿命。令人惊讶的是，对于由可堆叠的粘性末端捕获的环，尽管降低了整体弯曲应力，但错配降低了环的寿命，并且当错配被放置在DNA中点时，降低最大。这些发现表明，碱基对错配通过称为合作扭结的变构机制将弯曲应力转移到环的相对侧。基于这一机制，我们提出了一个三态模型，解释了DNA环的热力学和动力学稳定性之间的明显二分法。
2019-01-02 physics.bio-ph q-bio.BM
Local Cooperativity Mechanism in the DNA Melting Transition
提出了一个新的DNA解链转变的统计力学模型。碱基配对和堆叠被视为单独的自由度，配对和堆叠之间的相互作用是由一组本地规则，模仿在真实分子的几何约束。这种微观机制内在地解释了与气泡成核的自由能惩罚相关的协同性。该模型描述了光谱测定的实验熔化曲线的未配对和未堆叠部分。此外，该模型解释了所观察到的最近邻（NN）型模型中使用的有效热力学参数的温度依赖性。我们计算的配分函数的模型通过传递矩阵的形式主义，我们也推广到包括非局部链熵项。这一部分介绍了一个新的参数化的Yeramian样的转移矩阵方法的波兰-Scheraga描述的DNA熔解。该模型在齐次热力学极限下是精确可解的，并且我们计算了所有的可观测量而不使用大配分函数。众所周知，这类模型在完全链分离的温度下具有一阶或连续的相变，这取决于气泡熵的指数值。
2005-06-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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。
2007-08-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Thermal and mechanical properties of a DNA model with solvation barrier
本文在考虑溶剂相互作用的介观Peyrard-Bishop-Dauxois模型框架下研究了DNA变性的热力学行为。通过分析均匀A-T序列的熔化转变，我们可以设定合适的模型参数值，并研究系统中气泡的形成和稳定性。然后，我们专注于P5启动子序列的情况下，并使用主成分分析的轨迹提取的主要信息的动力学行为的系统。我们发现，这种分析方法给出了一个很好的协议与以前的生物学结果。
2010-09-08 physics.bio-ph q-bio.BM
Chaotic Dynamics of Polyatomic Systems with an Emphasis on DNA Models
我们调查的多粒子系统，特别是DNA和石墨烯模型的混沌行为，通过应用非线性动力学的方法。利用辛积分技术，我们提出了一个广泛的分析混沌的Peyrard-Bishop-Dauxois（PBD）模型的DNA。混沌量化的最大李雅普诺夫指数（mLE）在整个温度范围内，和碱基对（BP）的动力学无序的影响进行了研究。除了由于腺嘌呤-胸腺嘧啶（AT）和鸟嘌呤-胞嘧啶（GC）BP的比例引起的异质性外，还通过引入交替指数$α$分析了序列中BP的分布。BP安排和$α$的精确概率分布，使用波利亚计数。mLE的值取决于链中BP的组成和排列，并依赖于温度。我们探测区域的强混沌使用的偏差矢量分布，研究强非线性行为和泡沫的形成之间的联系。随机生成的序列和生物启动子都进行了研究。此外，通过分子动力学模拟分析了气泡的性质。气泡的寿命和长度的分布，得到的解析表达式拟合，并成功地实现了一个物理上合理的阈值考虑BP是开放的。除了DNA，我们提出了一个平面模型的石墨烯的动态稳定性分析，研究在散装石墨烯以及石墨烯纳米带（GNRs）的mLE。该材料的稳定性表现在非常小的mLE中，而混沌在石墨烯中是一个缓慢的过程。对于扶手椅和锯齿形边缘GNRs，mLE随着宽度的增加而减小，渐近地达到批量行为。mLE对能量密度和带宽度的依赖性与经验表达式精确拟合。
2021-02-19 math.DS nlin.CD physics.bio-ph
Effect of magnesium ions on dielectric relaxation in semidilute DNA aqueous solutions
用介电谱研究了Mg ~（2+）对半稀释DNA水溶液介电弛豫的影响。De Gennes-Pfeuty-Dobrynin半稀释溶液相关长度是足够低浓度的添加盐的相关基本长度尺度，描述了Mg-DNA溶液的集体性质。在低DNA浓度下没有检测到导致暴露的疏水核心结垢的DNA变性气泡的松弛指纹，因此表明与Na-DNA溶液的情况相比，Mg-DNA溶液中的双链构象的稳定性增加。在与单分子DNA性质有关的基本长度尺度的行为中检测到一些变化，反映了Odijk-Skolnick-Fixman类型的修改的静电屏蔽效应。所有结果一致地表明，Mg 2+离子与DNA以与Na 1+离子类似的方式相互作用，它们的作用主要通过增强筛选来描述。
2013-11-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Helical Disruptions in Small Loops of DNA
用路径积分方法研究了DNA微环的稳定性。互补链上碱基对之间的氢键可以被热波动破坏，并且沿着双螺旋的临时波动开口对于生物功能如遗传信息的转录和复制是必不可少的。阻碍解旋和气泡形成模式计算在圆形序列与可变半径，以分析分子大小和螺旋破裂的外观之间的相互作用。后者存在于具有$< 100$碱基对的微环中，并作为一种策略出现，以软化由于螺旋的弯曲和扭转而产生的应力。
2015-03-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
First-passage probability: a test for DNA Hamiltonian parameters
提出了一种选择合适的一维介观哈密顿模型的势参数集的方法，该模型首先用于描述DNA的熔化转变，后来扩展到研究核酸的热力学和动力学性质. DNA碱基对的波动被认为是依赖于时间的轨迹，其初始条件设置的路径积分的首次通过概率强制执行的无交叉约束。在室温下进行路径积分，建立了碱基对波动幅度的截止值与模型参数之间的关系。特别是，它表明，非线性堆叠参数应该是$\sim 1$。这里开发的形式主义可应用于计算DNA分子的三维螺旋模型中的开放碱基对的寿命。
2020-11-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Breathing dynamics based parameter sensitivity analysis of hetero-polymeric DNA
我们在DNA呼吸动力学的范围内研究了杂聚DNA的参数敏感性。平均气泡大小和模型参数之间的相关程度估计为三个不同的DNA序列的目的。该分析使我们更好地理解异多聚DNA的呼吸动力学的序列依赖性。在统计Poland-Scheraga方法中，DNA稳定性的14个模型参数中，$\mathtt{AT}$碱基对的氢键相互作用$ε_{hb}(\mathtt{AT})$和环因子$ξ$是最敏感的参数。此外，堆积相互作用$ε_{st}(\mathtt{TA}-\mathtt{TA})$的$\mathtt{TA}-\mathtt{TA}$最近邻碱基对被发现是最敏感的一个在所有的堆积相互作用。此外，我们还建立了堆叠相互作用的性质对DNA呼吸动力学具有决定性影响，而不是特定堆叠相互作用在序列中出现的次数。我们表明，敏感性分析可以作为一种有效的措施来指导随机优化技术，以找到动力学速率常数的动力学相关的情况下，使用传统的无偏的优化方法测量的速率常数。
2014-03-21 physics.bio-ph q-bio.BM
Fock-Space Formulation of the Lifetime of a Unicellular Organism
Faculty of Sciences, Oranim College, Israel（奥拉尼姆学院理学院）
将生命定义为保持身份的动力学倾向，通过Fock空间表示细菌染色体DNA代码的相干性，定义寿命为代码占据自相关函数的积分相干时间，并在最小马尔可夫模型中得到寿命等于身份模式衰减率的倒数。
2026-07-01 physics.bio-ph
Non-Ideality of a DNA Strand Displacement AND Gate Studied with a Dynamic Bonded DNA Model
我们进行了空间分辨的模拟研究的与门的基础上使用几个长度的立足点和相邻的域的DNA链位移。使用粗粒度动态键合模型{[}C. Svaneborg，Comp.Phys.Comm.183，1793（2012）{]}。我们观察到一个复杂的过渡路径从初始状态到最终状态的与门。该路径受到非理想效应的强烈影响，非理想效应是由于瞬时气泡暴露出不期望的立足点和整个股线的热熔融。我们还表征了单链的结合和未结合动力学，特别是总与操作的动力学和它所基于的三个不同的DNA转换，我们观察到竞争性置换操作的立足点长度的指数动力学依赖性，但门操作时间仅弱依赖于立足点和相邻结构域长度。我们的门在三个输入状态下显示出很好的逻辑保真度，而在第四个输入状态下显示出很差的保真度。这说明了非理想性如何对保真度产生非常有选择性的影响。模拟和详细的分析，如这里提出的那些提供分子的见解链置换计算，也可以预期在化学实现。
2012-12-28 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph q-bio.BM
