Molecular Dynamics Analysis of Biomolecular Systems Including Nucleic Acids
随着结构生物学和基因组生物学的最新进展，在基因调控的背景下，包括核酸在内的分子系统的结构动力学引起了人们的关注。结构-功能关系是一个重要的研究课题，其中核苷酸的理化性质与蛋白质中氨基酸的理化性质一样重要。模拟是详细分析分子动力学的有用工具，是对实验的补充。然而，核酸的分子模拟还没有蛋白质的分子模拟发达，部分原因是由于核酸的物理性质。在这篇综述中，我们简要地描述了该领域的现状和未来的发展方向，希望作为实验和计算之间的合作指南。
2021-11-21 physics.bio-ph q-bio.BM
Understanding Nucleic Acid Structural Changes by Comparing Wide-Angle X-ray Scattering (WAXS) Experiments to Molecular Dynamics Simulations
广角X射线散射（WAXS）是一种提高生物分子溶液结构测量分辨率的有力工具。与其更知名的补充，小角X射线散射（SAXS）相比，WAXS的目标是更高的散射角，可以通过访问溶液结构的更精细的细节来增强分子的结构研究。虽然从SAXS到WAXS的扩展很容易在实验上实现，但完全利用WAXS的能力所需的计算工具仍在开发中。目前，WAXS用于研究蛋白质的结构变化和配体结合;然而，该方法尚未完全开发用于核酸。在这里，我们展示了WAXS如何定性地表征核酸结构以及由添加多价离子驱动的小但显着的结构变化。我们展示了WAXS测试全原子分子动力学（MD）模拟的潜力，并为理解三价离子钴（III）六胺合物（CoHex）如何影响RNA和DNA螺旋结构提供了见解。我们发现，MD模拟捕捉到的RNA结构的变化，由于添加CoHex。
2016-05-15 q-bio.BM
Protein-Nucleic Acid Complex Modeling with Frame Averaging Transformer
针对适配体筛选实验成本高、标记数据稀缺的问题，提出集成帧平均的新型等变Transformer架构FAFormer，通过无监督学习预测蛋白质-核酸接触图，在多个数据集上性能优于现有模型，可作为适配体筛选的有效结合指示。
2024-11-03 q-bio.BM
Machine learning framework to predict the performance of lipid nanoparticles for nucleic acid delivery
该研究构建了一个机器学习框架，基于6,398个LNP配方数据，利用分子描述符和多种模型预测脂质纳米颗粒的核酸递送活性与细胞活力，二分类和多分类准确率分别超过90%和95%。
2024-11-21 q-bio.BM
The Effects of Stacking on the Configurations and Elasticity of Single Stranded Nucleic Acids
单链核酸中的堆叠相互作用产生退火的棒-螺旋多嵌段共聚物的构型。理论分析确定了长同聚核苷酸的签名：大小对温度的非单调依赖性，对环化的相应影响和延伸力定律的平台。明确的数值结果聚（dA）和聚（rU）。
2004-07-21 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
A new formalism for calculation of the partition function of single stranded nucleic acids
本文提出了一种计算单链核酸配分函数的新方法。二级结构和结构元素的拓扑是使用的分辨率级别。折叠模型处理匹配、错配、对称和不对称内部环、环和悬挂末端区域中的堆叠对、多分支环、可能存在于双链体末端或螺旋末端的凸起和单碱基堆叠。对短序列和长序列的计算表明，对于短寡核苷酸，双链体的形成通常显示两种状态的转变。然而，对于较长的寡核苷酸，单自折叠过渡的热力学性质影响双链体形成的过渡性质，导致溶液中的中间发夹种类的群体。在短寡核苷酸（分子信标）必须可靠地识别并与其靶向mRNA序列内的可访问核苷酸杂交的情况下，分析了中间发夹种类的作用。结果表明，分子信标的增强的特异性是其受限的构象灵活性和其与靶序列杂交的全或无机制的结果。
2005-10-05 q-bio.BM
Can pseudocomplementary peptide nucleic acid nucleases (pcPNANs) be a new tool for genetic engineering?
锌指核酸酶（ZFN）和转录激活因子样效应核酸酶（TALEN）是一类重新定义生物学研究边界的强大工具。尽管这些技术已经开始实现靶向基因组修饰，但仍然需要负担得起、可扩展且易于工程化的新技术。在本文中，我们提出了一种新的基因工程工具，伪互补肽核酸核酸酶（pcPNANs），它是由一个特异性的DNA靶序列的伪互补肽核酸（pcPNA），FokI核酸酶切割结构域和核定位信号。pcPNAN可以诱导靶向DNA双链断裂，从而激活DNA损伤反应途径并实现定制改变。它们的切割位点由简单的Watson-Crick规则确定，因此可以直接设计和合成用于基因组靶向切割的pcPNAN，而无需任何选择程序。因此，切割位点和位点特异性通过改变pcPNA链的序列和长度来自由选择。我们相信pcPNAN作为基因工程新工具的潜力将在未来得到证实。
2014-02-05 q-bio.BM
DeepPNI: Language- and graph-based model for mutation-driven protein-nucleic acid energetics
Indian Institute of Technology Bhilai（印度理工学院比莱分校）
DeepPNI通过结合语言和图模型，实现了对蛋白质-核酸复合物突变驱动能量变化的高效预测，具有高鲁棒性和泛化能力。
2025-11-27 cs.AI q-bio.BM
An accurate nucleic acid-small molecule docking framework via geometric deep learning with large-scale pretraining
College of Pharmaceutical Sciences, Zhejiang University（浙江大学药学院）；Faculty of Health Sciences, University of Macau（澳门大学健康科学学院）；Zhejiang Provincial Key Laboratory for Intelligent Drug Discovery and Development, Jinhua Institute of Zhejiang University（浙江省智能药物发现与开发重点实验室，浙江大学金华研究院）；Shanghai Innovation Institute（上海创新研究院）
提出NucleoDock框架，通过物理引导的大规模预训练和精细调优，结合序列、结构及原子级特征，利用混合密度网络几何评分头实现核酸-小分子对接，在125个复合物基准上达到56%的top-1成功率（RMSD<2.0Å），优于传统方法。
2026-05-22 cs.LG q-bio.BM
CrossBind: Collaborative Cross-Modal Identification of Protein Nucleic-Acid-Binding Residues
针对现有蛋白质分析方法易忽略语义或几何信息的问题，提出融合蛋白几何结构与序列先验的跨模态方法CrossBind，在DNA/RNA数据集上结合残基预测性能显著优于现有SOTA方法。
2023-12-20 q-bio.BM
Velocity and processivity of helicase unwinding of double-stranded nucleic acids
解旋酶是解旋细胞中双链核酸（dsNA）的分子马达。许多解旋酶在单链（ss）核酸上具有方向性偏移，并且将它们的定向移位与链分离耦合。易位和解旋之间的耦合模型使用相互作用势来表示被动和主动解旋酶机制。被动解旋酶必须等待热波动打开dsNA碱基对，然后才能推进和抑制NA关闭。活性解旋酶直接使dsNA碱基对不稳定，加速打开速率。在这里，我们扩展了这个模型，包括解旋酶从核酸链解结合。解旋酶的持续合成能力取决于相互作用势的形式。被动解旋酶具有在ss易位和ds解旋之间不改变的平均附着时间，而主动解旋酶通常在解旋期间相对于ss易位显示附着时间的减少。此外，我们描述了如何解旋酶解旋速度和持续合成能力的变化，如果碱基对结合自由能的变化。
2005-09-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Predicting Protein-Nucleic Acid Flexibility Using Persistent Sheaf Laplacians
本文提出持续层拉普拉斯算子（PSL）框架预测蛋白质-核酸复合物的B因子柔性，整合多尺度与拓扑方法，在三个数据集上较GNM和mFRI最高提升21%的皮尔逊相关系数。
2025-10-23 q-bio.BM q-bio.QM
The End Restraint Method for Mechanically Perturbing Nucleic Acids in silico
基因组远不是一个被动的信息存储器，而是一个机械动力学和多样性的系统，其中扭转和张力波动并结合起来决定结构并帮助调节基因表达。这种机械扰动大部分是由于分子机器，如拓扑异构酶，它必须拉伸和扭曲DNA作为各种功能的一部分，包括DNA修复和复制。虽然核酸对张力和扭转的大尺度机械响应得到了很好的表征，但单碱基对水平的细节甚至超出了超分辨率成像的极限。在这里，我们提出了一个简单的，灵活的，可扩展的伞形采样协议，扭曲和拉伸核酸在硅使用流行的生物分子模拟包琥珀-虽然我们描述的原则也适用于其他软件包，如GROMACS。讨论了模拟系统的建立、力场和溶剂化模型的确定以及平衡等问题。然后，我们介绍了扭转约束拉伸协议，最后，我们提出了一些分析技术，我们已经用来表征结构基序的形成。我们没有定义力或虚构的伪原子，而是在每个伞形采样步骤之间定义指定原子的固定平移，这允许与实验进行比较，而无需通过简单地使用分数端到端位移作为比较度量来估计施加的力。我们希望这种易于实现的解决方案将是有价值的询问光学和磁性镊子数据的核酸在碱基对分辨率。
2021-08-31 physics.bio-ph q-bio.BM
Fluorecently labeled bionanotransporters of nucleic acid based on carbon nanotubes
在这里，我们提出的方法来设计的新型杂交寡核苷酸与荧光素功能化的单壁碳纳米管。该方法是基于堆叠功能化的纳米管与芘残基的寡核苷酸的共轭物的相互作用。制备了氨基和荧光素修饰的单壁碳纳米管，并对其理化性质进行了研究。考察了碳纳米管功能化类型对寡核苷酸芘缀合物吸附效果的影响。所提出的荧光素标记的碳纳米管与寡核苷酸的非共价杂化物可用于功能性核酸的细胞内运输。
2012-08-17 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph q-bio.BM
Large-Scale Multi-omic Biosequence Transformers for Modeling Protein-Nucleic Acid Interactions
Duke University School of Medicine（杜克大学医学院）；NYU Langone Health（纽约大学朗格尼医学中心）；New York University（纽约大学）
OmniBioTE是一种大规模多组学生物序列变压器，通过混合蛋白质和核酸数据训练，实现了对蛋白质-核酸相互作用的高效预测和结构信息学习。
2026-01-17 cs.LG q-bio.BM
Energy landscapes and dynamics of xylo-nucleic acids
天然核酸的人工类似物作为能够自我复制的多种信息存储分子最近引起了人们的兴趣。在本研究中，我们使用的计算势能景观框架，以调查的结构和动力学性质的木-和脱氧木-核酸（XyNA和dXyNA），这是来自于各自的RNA和DNA类似物的结构反转在一个单一的手性中心的糖部分的核苷酸单元。八聚体XyNA序列及其dXyNA类似物的自由能景观表明，存在一个容易的构象之间的转变是全球自由能最小的左手螺旋，和一个紧密竞争的梯形结构，螺旋度约为零。对于dXyNA系统，竞争构象集合的分离更好地定义，而XyNA类似物本质上更灵活。因此，前者似乎更适合作为分子开关的候选者。这些景观与以前研究中报道的进化生物分子的景观有质的不同：它们明显更受挫折，因此XyNAs提供了一个非自然系统的例子，正如预期的那样，构成最小挫折原则的条件被违反了。
2019-06-03 physics.bio-ph q-bio.BM
Mechanism of thermal renaturation and hybridization of nucleic acids: Kramers process and universality in Watson-Crick base pairing
复性和杂交反应导致互补单链核酸的配对。我们在这里提出了一个理论研究的机制，这些反应在体外热条件下（单链链的稀溶液，在存在的摩尔浓度的一价盐和在高温下）。该机制遵循Kramers过程，其中互补链通过布朗运动克服势垒。该屏障起源于单个限速成核事件，其中形成第一互补碱基对。然后反应通过双螺旋的快速增长进行。对于噬菌体T7、T4和$ϕ$ X 174的DNA以及大肠杆菌DNA，反应的双分子速率$k_2$按照反应单链的平均聚合度$<N>$：$k_2 \prop <N>^α$的幂律增加.该关系适用于具有实验确定的指数$α= 0.51 \pm 0.01$的$100 \leq <N> \leq 50 000$。长度依赖性的结果从热力学排除体积效应。反应单链链被预测为在普适的好溶剂条件下，标度律由相关的平衡单体接触概率确定。该指数的理论预测值为$α= 1-νθ_2$，其中$ν$为Flory溶胀指数（$nu approx 0.588$），$θ_2$为des Cloizeaux引入的临界指数（$θ_2 \approx 0.82$），产生$α= 0.52 \pm 0.01$，与实验结果一致。
2009-01-05 q-bio.BM
Duplex formation and secondary structure of γ-PNA observed by NMR and CD
肽核酸（PNA）是非天然的寡核苷酸模拟物。γ-PNA骨架由标准核酸核碱基通过由肽键连接的中性N-（2-氨乙基）甘氨酸骨架连接而形成。在本研究中，我们使用核磁共振（NMR）和圆二色性（CD）来探索这些物种形成的超分子双链体的性质。我们发现，标准的沃森-克里克碱基对以及非标准的形成在溶液中。由此形成的双链体呈现显著的熔融转变温度，其显著高于它们的核酸同源物。此外，γ-肽骨架上手性基团的存在进一步增加了该转变温度，导致非常稳定的双链体。
2015-10-10 q-bio.BM
Statistical models for nucleic acids
本文通过三维介观哈密顿模型和路径积分技术，研究ds-RNA与ds-DNA的结构差异，揭示了这些特征导致A型和B型螺旋产生相反扭曲-拉伸模式的根源。
2023-09-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Multi-shell model of ion-induced nucleic acid condensation
我们提出了一个半定量模型的缩合短核酸（NA）双链诱导的三价钴（III）六胺（CoHex）离子。该模型是基于分区的绑定counterweight分布singleNA双链体周围的“外部”和“内部”的离子结合壳区分双螺旋轴的接近。在聚集相中，壳重叠，这导致CoHex离子在这些重叠中与相邻双链体的吸引力显著增加。的双重聚集自由能被分解成吸引力和排斥力的组件，在这样的方式，他们可以表示为简单的解析表达式与参数来自分子动力学（MD）模拟和泊松方程的数值解。短程相互作用所描述的有吸引力的长期依赖于在重叠的外壳和亲和力的CoHex的“外部”壳的几乎中和的双链体的结合离子的分数。自由能的排斥成分是聚集时的双链体构型熵损失和在被结合的CoHex离子中和后保留的双链体的静电排斥。聚集自由能的估计与NA双链体缩合倾向的实验范围一致，包括RNA结构的异常差的缩合和DNA缩合后的微妙序列效应。该模型预测，与DNA相反，RNA双链体可以浓缩成具有更高程度的双链体中和的更紧密包装的聚集体。该模型还预测，较长的NA片段将比较短的更容易凝聚。该模型的能力，解释实验观察到的NA冷凝的趋势，借给支持建议NA冷凝图片的基础上的多价“离子结合壳”。
2016-04-06 q-bio.BM
Salt Contribution to the Flexibility of Single-stranded Nucleic Acid of Finite Length
核酸是带负电荷的大分子，其结构性质与溶液中的金属离子强烈耦合。本文采用粗粒度蒙特卡罗模拟方法系统地研究了盐离子对12 ~ 120个核苷酸的单链核酸链柔性的影响。计算结果表明，离子浓度的增加会引起ss链的结构坍塌，多价离子更容易引起这种坍塌，三价和二价离子都能诱导出比随机弛豫态更紧密的状态。我们发现，一价、二价和三价离子都能使ss链过充电，并且这种过充电的主要来源从离子排斥体积效应转变为离子库仑相关。此外，预测的ss核酸的Na、Mg依赖性持久长度lp与已有的实验数据一致，并通过系统的计算，得到了lp随Na、Mg和链长变化的经验公式。
2012-11-23 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Mechanism of helicase translocation along nucleic acid
在细胞中，解旋酶沿着核酸的移位对于许多生物过程是必需的。然而，到目前为止，这种易位的机制尚未完全了解。近年来的研究表明，解旋酶可能通过主动过程和被动过程两种途径进行转位，且转位速率不同。在这项研究中，包括这样的两个过程的模型。其中，这两个过程中的每一个都由两个子过程组成，化学子过程，其中附着所需的易位因子，以及机械化学子过程，其中解旋酶进行正向易位步骤。解旋酶可以在这两个过程之间以外力依赖的速率进行随机转换。利用该模型对核糖体沿信使RNA的转位进行了详细的讨论。我们发现，随着外力的增加，核糖体的平均易位率从一个下限增加到一个上限，并且这两个上限都随着易位因子浓度的增加而增加。在强外力作用下，核糖体主要通过主动过程进行易位。在饱和浓度的易位因子，易位是由机械化学的子过程。
2016-11-02 physics.bio-ph q-bio.BM
Force-dependent elasticity of nucleic acids
双链核酸在细胞过程中的功能主要由其弹性反应介导。这些过程涉及与dsDNA或dsRNA相互作用并扭曲其结构的蛋白质。大多数理论框架没有适当考虑这些变形所产生的NA的弹性扰动。在这项工作中，我们介绍了一种新的方法来评估机械应力对双链DNA和双链RNA的弹性响应的影响，通过分析的双螺旋的波动。这种方法的原子模拟的应用揭示了定性的差异，在力的依赖性的机械性能的双链DNA相对于那些dsRNA，我们涉及到这些分子的结构特征，通过物理健全的简约模型。
2022-10-27 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
The NRGTEN Python package: an extensible toolkit for coarse-grained normal mode analysis of proteins, nucleic acids, small molecules and their complexes
摘要：粗粒简正模分析（NMA）是一种研究生物分子动力学的快速计算技术。Najmanovich Research Group Toolkit for Elastic Networks（NRGTEN）。NRGTEN是一个Python工具包，它实现了四种不同的NMA模型，以及流行和新颖的指标，以基准测试和测量这些模型的属性。此外，该工具包作为公共Python包提供，并且可以轻松扩展以开发或实现其他NMA模型。我们在NRGTEN中开发的ENCoM模型（弹性网络接触模型）值得注意，因为它考虑了原子相互作用的特定化学性质。这使得有可能对突变的影响进行一些独特的预测，例如对稳定性（通过振动熵差的变化），对不同构象状态之间的跃迁概率或对整个大分子/复合物的柔性分布（以研究变构和信号传导）。此外，所有NMA模型都可用于从起始结构生成构象系综，以帮助蛋白质-蛋白质、蛋白质-配体或应用中的其他对接研究。NRGTEN通过公共Python包免费提供，该包可以轻松安装在任何现代机器上，并包括在线托管的详细用户指南。可用性和实施：https://github.com/gregorpatof/nrgten_package/联系人：rafael. umontreal.ca
2020-12-24 q-bio.BM
The Coming of Age of Nucleic Acid Vaccines during COVID-19
该研究梳理了核酸疫苗的发展背景，介绍了新冠疫情中DNA/RNA疫苗的有效性、安全性与获批情况及全球分发模式，指出其快速研发标志着疫苗技术的重大转变，开启了新发病原体疫苗研发的新时代。
2023-01-24 q-bio.BM
Secondary structure formation of homopolymeric single-stranded nucleic acids including force and loop entropy: implications for DNA hybridization
环是折叠的DNA和RNA分子中必不可少的二级结构元件，并且在接近解链转变时增殖。使用的核酸二级结构的理论，占对数熵cln m的长度为m的循环，我们研究均聚单链核酸链下的外力和不同的温度。在长链的热力学极限中，链显示低温/低力紧凑（折叠）结构和高温/高力熔融（未折叠）结构之间的相变。c对相图，临界指数，熔化，和力延伸曲线的影响，推导出解析。当拉力为零时，只有在环指数2 < c < 2.479的有限范围内，才可能发生熔融转变;当c <= 2时，链总是处于折叠相，而当2.479 < c时，链总是处于展开相。力诱导的熔融转变与奇异行为是可能的所有环指数c < 2.479，可以观察到实验单分子力谱。这些发现对双链核酸的杂交或变性有意义。用于核酸双链体解链的波兰-谢拉加模型不允许双链的变性区域中相同链上的核苷酸之间的碱基配对。如果序列允许这些链内碱基对，我们表明，对于一个现实的循环指数C ~ 2.1明显的二级结构内出现的单链。这导致双链体的熔化温度低于Poland-Scheraga模型的预测。此外，这些二级结构使表征双链的变性区域的重量的有效环指数重新归一化，并且因此影响双链体解链转变的普遍方面。
2011-04-28 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Better results with homogeneous biological macromolecules
纯的和均质的生物大分子（即蛋白质、核酸、蛋白质-蛋白质或蛋白质-核酸复合物以及功能性组装体，如核糖体和病毒）是一致和可靠的生物化学和生物物理测量以及可再现的结晶、最佳晶体衍射特性和可利用的电子显微镜图像的关键。亮点：纯净和均匀的大分子是获得最佳实验结果的关键;它们保证了生物化学和生物物理数据的一致性和可靠性;它们也提供了更可重复的晶体学和电子显微镜结果。
2017-11-27 q-bio.BM
Mechanical properties of Nucleic Acids and the non-local Twistable Wormlike Chain model
核酸的机械性质在许多生物过程中起着重要作用，这些生物过程通常涉及这些分子的物理变形。在足够长的长度尺度上（比如说在$\sim 20-30$碱基对以上），DNA和RNA双螺旋的力学是由均匀的可扭转蠕虫状链（TWLC）描述的，TWLC是一种以扭转和弯曲刚度为特征的半柔性聚合物模型。在较短的尺度下，该模型由于两个原因而崩溃：弹性特性变得依赖于序列，并且远端部位的机械变形变得耦合。在本文中，我们讨论了后者的效果使用的框架内的非本地TwistableWormlike链（nlTWLC）的起源。我们表明，通过比较DNA和RNA双螺旋的全原子模拟数据，在这两个分子的非本地耦合是非常相似的性质：远端站点之间的耦合是强倾斜和扭曲自由度和弱滚动。我们介绍并分析了一个简单的双链聚合物模型，阐明了这种普遍的远端耦合行为的起源。在这个模型中，被称为阶梯模型，nlTWLC描述出现从本地（原子）的自由度成角度变量，描述的扭曲和弯曲的分子的粗化。与其局部对应物不同，nlTWLC的特征在于长度尺度依赖的弹性。我们的分析预测，核酸在几个碱基对的尺度上是机械上较软的，并且在较长的长度尺度上是渐进地较硬的，这一行为与实验数据相匹配。
2022-08-11 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Twist-stretch relations in nucleic acids
本文提出三维介观哈密顿模型并结合路径积分技术，揭示了A型RNA和B型DNA短螺旋片段在恒定负载下的扭转-拉伸关系与拉伸特性，与千碱基长分子的相反行为一致。
2023-06-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Coarse-Grained Nucleic Acid-Protein Model for Hybrid Nanotechnology
杂交DNA -蛋白质纳米技术的新兴领域带来了许多新材料的潜力，这些材料将DNA纳米技术的可寻址性与蛋白质相互作用的多功能性相结合。然而，这些混合结构的设计和计算研究是困难的，由于所涉及的系统尺寸。为了帮助设计和计算机分析过程中，我们在这里介绍了一个粗粒度的DNA/RNA-蛋白质模型，扩展了DNA/RNA的oxDNA/oxRNA模型与基于各向异性网络模型表示的粗粒度蛋白质模型。我们的模型完全配备了分析脚本和可视化，旨在促进最终实验实现的混合纳米材料设计，以及使生物复合物的研究成为可能。我们通过模拟DNA-蛋白质纳米笼、包裹在组蛋白周围的DNA和聚合酶中的新生RNA进一步证明了它的用途。
2020-09-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Urea destabilizes RNA by forming stacking interactions and multiple hydrogen bonds with nucleic acid bases
用尿素滴定RNA是研究RNA稳定力的有效方法。我们使用所有的原子分子动力学模拟使用两个尿素力场和两个RNA结构来阐明在原子细节的尿素水溶液中的折叠RNA的不稳定机制。尿素通过与RNA碱基形成多个氢键使RNA变性，并且对磷酸二酯骨架几乎没有影响。最重要的是，我们发现尿素参与了与碱基的堆积相互作用。我们还首次估计了RNA的m值，这是衡量尿素-RNA相互作用强度的指标。我们的工作提供了一个概念性的了解尿素提高RNA折叠速率的机制。
2009-12-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Rigid Base Biasing in Molecular Dynamics enables enhanced sampling of DNA conformations
由于全原子模拟具有高的空间和时间分辨率，因此在研究核酸的构象和动力学性质方面越来越受欢迎。然而，这种高分辨率带来了沉重的计算成本，并且在模拟的时间尺度内，核酸围绕其理想结构微弱地波动，探索有限的构象集合。介绍了在核酸全原子模拟中能够控制刚性碱基参数的RBB-NA算法。利用合适的偏置电势，该算法可以“迫使”DNA或RNA分子呈现六个旋转参数（倾斜、滚动、扭曲、弯曲、螺旋桨、打开）和/或六个平移参数（移位、滑动、上升、剪切、拉伸、交错）的特定值。该算法能够使用先进的采样技术来探测局部强烈变形的核酸的结构和动力学。我们说明了它的性能显示一些例子，其中DNA是强烈扭曲，弯曲或局部屈曲。在这些例子中，RBB-NA很好地再现了无约束的模拟数据和DNA力学的其他已知特征，但它也允许人们探索在高变形状态下表征核酸力学的非谐行为。
2022-08-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Pathways for virus assembly around nucleic acids
了解病毒衣壳蛋白围绕其基因组组装的途径可以确定作为潜在药物靶点的关键中间体。在这项工作中，我们使用计算机模拟来表征组装在广泛的衣壳蛋白质相互作用强度和溶液离子强度。我们发现，组装途径可以分为两类，其中中间体是主要有序或无序。我们的研究结果表明，估计蛋白质-蛋白质和蛋白质-基因组结合亲和力可能足以预测哪种途径发生。此外，计算出的相图表明，知识的主导组装途径及其与控制参数的关系，可以确定最佳的策略，以阻止或重定向组装，以阻止感染。最后，模拟轨迹的分析表明，这两类组装途径可以区分在单分子荧光相关光谱或批量时间分辨小角度X射线散射实验。
2014-05-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Base pair fluctuations in helical models for nucleic acids
本文提出了一种估算核酸三维介观模型中碱基对涨落最大振幅的统计方法。碱基对围绕螺旋直径的热振动被视为嵌入在稳定的螺旋结构中的颗粒的布朗运动。返回到初始位置的概率计算，作为时间的函数，通过整合的粒子路径一致的物理性质的模型潜力。首次通过概率的零时间条件定义了选择各种宏观螺旋构象的积分截止的约束，通过调整沿着分子堆叠的相邻碱基对之间的扭曲、弯曲和滑动运动来获得。应用该方法在室温下短的均匀链，我们得到有意义的估计，在扭曲构象的最大波动与$\sim 10.5$碱基对每螺旋转，典型的双链DNA螺旋。解开双螺旋，碱基对波动扩大和积分截止增长。发现在存在缩短螺旋轮廓长度的滑动运动的情况下，截止值也增加，这是dsRNA分子特有的情况。
2021-05-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Effects and limitations of a nucleobase-driven backmapping procedure for nucleic acids using steered Molecular Dynamics
粗粒度模型对于解决核酸结构预测问题有很大的帮助。一方面，它们可以使预测更有效，而另一方面，它们也可以帮助识别一些结构的描述的基本自由度和相互作用。为了给我们的SPlit和conQueR（SPQR）粗粒度RNA模型的预测提供一个明确的溶剂中的全原子表示，我们最近引入了一个反向映射过程，该过程通过引导分子动力学将预测的结构强制转换为原子结构.这些模拟使ERMSD最小化，ERMSD是一种专门处理原子表示和目标结构之间的核碱基相对排列的特定度量。在本文中，我们探讨了这种方法对所产生的相互作用网络和骨干构象的影响，通过将其应用于一组片段作为目标，其天然结构。我们发现，目标结构的几何形状可以可靠地恢复，与不成对的基地，如凸起的区域的限制。此外，我们观察到，折叠途径也可以根据ERMSD定义中使用的参数和其他指标（如RMSD）的使用而变化。
2017-12-14 physics.bio-ph physics.comp-ph q-bio.BM
Specific Nucleic Acid Detection Using a Nanoparticle Hybridization Assay
本研究开发盐老化偶联引物的金纳米颗粒杂交聚集测定，无需信号放大即可特异性识别SARS-CoV-2的94 bp DNA靶序列，并通过等离子体位移、电泳和扩散系数验证其可行性。
2024-09-06 physics.optics q-bio.BM
Electrostatic Binding and Hydrophobic Collapse of Peptide-Nucleic Acid Aggregates Quantified Using Force Spectroscopy
了解自聚集肽与核酸或其他聚阴离子之间的相互作用机制是理解多种人类疾病（例如阿尔茨海默病和帕金森病）的许多聚集过程的关键。由于疏水自聚集力和静电结合力之间的竞争，确定这种相互作用的亲和力和动力学步骤是具有挑战性的。Kahalalide F（KF）是一种抗癌疏水肽，其含有单个正电荷，赋予与聚阴离子的强聚集特性。这使得KF成为一个理想的模型，以阐明自聚集与结合到一个强电荷的生物体，如DNA竞争的机制。我们使用光镊施加机械力到单个DNA分子，并表明KF和DNA相互作用在两步动力学过程中促进的DNA的静电结合到聚集体表面，然后由复合物的稳定，由于疏水相互作用。从所测量的拉动曲线，我们确定的结合亲和力，动力学障碍和长度的DNA片段内的KF-DNA复合物隔离的光谱。我们发现有一个捕获的距离，超过这个距离，复杂的崩溃成紧凑的聚集体稳定的强疏水力，并讨论如何弯曲刚度的核酸影响这样的过程。我们推测，在体内环境中，KF的静电相互作用增强，由于其聚集可能介导的其他聚阴离子的结合。所提出的方法应该是有用的定量表征其他化合物或蛋白质中的聚集体的形成是相关的。
2014-08-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Asymmetric periodic boundary conditions for molecular dynamics and coarse-grained simulations of nucleic acids
本文提出沿核酸链方向与垂直溶剂化方向区别处理的非对称周期性边界条件（APBC），通过粗粒化蠕虫状链模型和全原子DNA模拟验证其可减小有限尺寸效应并揭示序列依赖性质。
2023-06-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Towards Joint Sequence-Structure Generation of Nucleic Acid and Protein Complexes with SE(3)-Discrete Diffusion
Profluent Bio；AI Research Lab（AI研究实验室）
本文提出MMDiff，利用SE(3)-离散扩散噪声联合生成核酸与蛋白质复合物的序列和结构，并通过新基准验证其在micro-RNA、单链DNA及多链复合物建模中的有效性。
2023-12-21 cs.AI cs.LG q-bio.BM
An Efficient Algorithm for Upper Bound on the Partition Function of Nucleic Acids
Wayne State University（韦恩州立大学）；Monash University（莫纳什大学）
已经表明，RNA和RNA-RNA相互作用的最小自由能结构通常是不正确的，这是由于能量参数的不准确性和能量模型的固有局限性。相比之下，基于系综的量，如熔化温度和平衡浓度可以更可靠地预测。甚至通过从集合中取样并通过Sfold [7]对这些结构进行聚类的结构预测也已被证明比最小自由能结构预测更可靠。基于集成的方法的主要障碍是配分函数和碱基配对概率的计算复杂性。例如，RNA-RNA相互作用的配分函数的空间复杂度是$O(n^4)$，时间复杂度是$O(n^6)$，它们非常大[4，12]。我们的目标是在本文中给出一个快速算法，基于稀疏折叠，计算上界的分区函数。我们的工作是基于最近的算法Hazan和Jaakkola [10]。该算法的空间复杂度与稀疏折叠算法相同，时间复杂度对于单个RNA为$O(MFE(n)\ell)$，对于RNA-RNA相互作用为$O(MFE(m, n)\ell)$，其中$MFE$为稀疏折叠的运行时间，$\ell \leq n$（$\ell \leq n + m$）为序列相关参数.
2013-01-08 cs.LG q-bio.BM
Native Mass Spectrometry and Nucleic Acid G-Quadruplex Biophysics: Advancing Hand in Hand
本文综述天然质谱如何揭示 G-四链体的非共价结合、折叠热力学/动力学及气相结构，并结合离子迁移、同位素交换与圆二色离子光谱拓展核酸表征。
2023-06-07 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
White and green rust chimneys accumulate RNA in a ferruginous chemical garden
核酸积累的机制可能对早期地球含铁海洋中生命的出现至关重要。究竟是如何从稀水溶液中积累核酸的生物前地质环境，是知之甚少。作为一个可能的解决方案，这个浓度的问题，我们模拟的条件下，前生物的低温碱性热泉喷口共沉淀实验，调查潜在的含铁化学花园积累核酸通过吸附。在缺氧条件下（O2 <0.01%当前大气水平）和周遭温度下，将碱性溶液注入人工含铁溶液中，导致了铁锰铅矿（白锈）的沉淀，铁锰铅矿（白锈）迅速转化为含氯化物的铁锰铅矿（绿锈）。RNA仅在磷酸盐缓冲液存在下从含铁溶液中提取，表明溶液中的RNA与Fe 2+离子结合。在烟囱形成过程中，这种铁结合的RNA迅速积累在白色和绿色的铁锈烟囱结构中，因为它从周围的溶液中耗尽。我们的研究结果表明，在早期地球的海洋中，白色和绿色的铁锈烟囱可能是能够快速隔离和积累RNA的关键地球化学特征。这代表了一种新的核酸积累机制，除了干湿循环，并可能促进RNA在稀释的益生元海洋中的生存。
2022-12-06 physics.bio-ph physics.geo-ph q-bio.BM
A mutate-and-map protocol for inferring base pairs in structured RNA
化学作图是用于核酸结构分析的广泛技术，其中分子对不同探针的反应性以单核苷酸分辨率定量并用于约束结构建模。在过去的十年中，这个实验框架被广泛地重新审视，采用了高通量读出、化学修饰和快速数据分析的新策略。最近，我们将该技术与高通量诱变相结合。碱基配对核苷酸的点突变不仅会导致该核苷酸暴露，还会导致其相互作用配偶体暴露。对整个系统进行突变和映射，给出了分子接触映射的实验近似。在这里，我们给出了基于96孔毛细管电泳的这种突变和映射策略的内部协议，并提供了解释数据以推断核酸结构的实用技巧。
2013-01-31 q-bio.BM
Comparative Molecular Mechanics and Quantum Mechanics Study of Microhydration of Nucleic Acid Bases
DNA是最重要的生物分子，它的水合作用对双螺旋结构和功能有重要贡献。我们分析了微水合的核酸及其甲基衍生物的单个碱基使用分子力学（MM）的方法与Poltev-Malenkov（PM），AMBER和OPLS力场，以及从头算量子力学（QM）计算在MP2/6- 31 G（d，p）的理论水平。计算的相互作用能之间的比较和实验的基础上，从质谱在低温下获得的微水化。每个局部水-基相互作用能最小值与MM对应的最小值与QM。一般的定性协议，观察通过两组方法获得的局部极小的几何特征。MM最小值对应于比通过QM方法获得的结构略多的共面结构，并且绝对MM能量值高估了通过QM获得的相应值。对于腺嘌呤和胸腺嘧啶的QM局部最小能量值更接近PM势（平均为0.72千卡/摩尔）比AMBER力场（1.86千卡/摩尔）。对于鸟嘌呤和胞嘧啶，MM和QM结果之间的能量差异更明显，特别是对于水分子与碱基的两个质子受体中心形成氢键的最小值。这样的最小值是通过MM方法获得的最深值，而QM计算结果对应于水分子H-键合到一个受体和一个供体位点的碱的全局最小值。三甲基化碱与水分子的计算证实了MM的结果。能量分布是在水分子被冻结的某些自由度下获得的。这些数据将有助于改进分子力学力场。
2013-02-11 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Bayesian Rate Inference for Sequence Motif Dynamics in Systems of Reactive Nucleic Acids
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
提出贝叶斯推断框架，从链反应器模拟的连接计数数据中推断基序速率方程参数，为匹配简化模型与复杂模拟提供方法，并迈向从实验数据直接推断反应速率常数。
2026-06-11 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.BM
Binding of Pheophorbide-a methyl ester to nucleic acids of different secondary structures: A spectroscopic study
用吸收光谱法和偏振荧光光谱法研究了中性脱镁叶绿酸-a甲酯（MePheo-a）与各种合成多核苷酸（poly（A）-poly（U）、poly（G）-poly（C）和四链poly（G））以及小牛胸腺DNA的结合。在低离子强度（2 mM Na+）的缓冲水溶液（pH 6.9）中以宽范围的磷酸盐与染料的摩尔比（P/D）进行测量。染料和生物聚合物之间形成的复合物的吸收和荧光特性进行了测定。MePheo-a与四链聚（G）的结合显示伴随着最显著的光谱转换：染料吸收的减色性、Soret吸收带（~26 nm）和荧光带（~9 nm）最大值的大变色位移、染料发射强度的48倍增强。相反，其与双链多核苷酸和天然DNA的结合仅诱导吸收和荧光带的小位移，以及不超过4倍的荧光强度上升。在MePheo-a与四链体聚（G）结合后观察到的大量光谱变化和高值的荧光偏振度（0.26）允许我们提出染料发色团在鸟嘌呤四联体之间的插入。同时，当染料与双链生物聚合物结合时，小的光谱变化和MePheo-a荧光偏振度（0.12）的不显著增加指向另一种结合类型。MePheo-a掺入到螺旋沟中被认为是以二聚体形式发生的。与四链聚（G）结合后MePheo-a发射的显着增强使我们能够提出该化合物作为新的荧光探针G-四链体结构。
2018-11-05 physics.bio-ph q-bio.BM
Mechanisms of virus assembly
病毒是纳米级的实体，含有包裹在称为衣壳的蛋白质外壳中的核酸基因组，并且在某些情况下被脂质双层膜包围。本文综述了衣壳在宿主细胞内和体外组装的物理过程。我们描述的热力学和动力学组装成二十面体衣壳壳的蛋白质亚基，以及这些是如何修改的情况下，衣壳组装周围的核酸或脂质双层。我们目前的实验和理论技术，已被用来表征衣壳组装，我们强调病毒组装的方面可能会在不久的将来得到显着的关注。
2014-07-15 cond-mat.soft q-bio.BM
Auxiliary Discrminator Sequence Generative Adversarial Networks (ADSeqGAN) for Few Sample Molecule Generation
School of Pharmacy, University of Pittsburgh, Pittsburgh, Pennsylvania 15261, United States；School of Software \& Microelectronics, Peking University, Beijing, 100871, China
ADSeqGAN通过引入辅助随机森林判别器并融合预训练与Wasserstein距离，在小样本条件下提升分子生成质量与类别特异性，在核酸结合剂、CNS药物及CB1配体设计中均优于基线模型。
2025-09-11 cs.AI cs.LG q-bio.BM
Helicase processivity and not the unwinding velocity exhibits universal increase with force
本文通过推广解旋酶持续解旋模型，统一解释了速度与持续合成能力对力的不同响应，预测持续合成能力随力增加是普遍特征，并以T7和NS3解旋酶为例验证，提出单链结合蛋白可能与之共同进化。
2015-05-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
An efficient algorithm to compute the minimum free energy of interacting nucleic acid strands
本研究针对无伪结多核酸链最小自由能（MFE）计算的开放问题，提出首个O(N^4)多项式时间算法，通过对称对称界和回溯算法解决旋转对称难题，与已有配分函数算法渐近时间一致。
2024-07-12 cs.CC cs.DM cs.DS
Computational biology approach to uncover hepatitis C virus helicase operation
丙型肝炎病毒解旋酶是一种在病毒复制过程中分裂核酸双链体结构的分子马达，因此代表了抗病毒治疗的有希望的靶标。因此，详细了解其运作机制将有助于开发旨在抑制解旋酶活性的有效药物辅助疗法。尽管在过去进行了广泛的调查，一个彻底的了解，这一重要的蛋白质的活动是缺乏的，因为潜在的内部构象运动无法解决。在这里，我们回顾了我们以前对HCV解旋酶进行的调查。使用基于结构的计算建模方法，可以在结构解析的模拟中跟踪这种马达蛋白的整个操作周期，并揭示它沿着核酸移动并完成链分离的机制。我们还讨论了从该研究中观察到的结果，根据最近的实验研究证实了我们的发现。
2013-11-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Folding Pathways of a Knotted Protein with a Realistic Atomistic Force Field
我们报告的原子模拟折叠的天然打结的蛋白质，MJ 0366，基于一个现实的力场。据我们所知，这是第一次报道的努力，其中一个现实的力场是用来调查复杂的天然拓扑结构的蛋白质的折叠途径。通过使用显性反应途径方案，我们收集了大约30个成功的折叠轨迹的82个氨基酸长三叶结蛋白。尽管它们的初始展开构型不同，但这些轨迹通过一系列非常相似的步骤达到天然打结状态。特别地，发现打结基本上通过穿线机制发生，涉及C-末端通过在早期阶段形成天然β-折叠所产生的开放区域。在MJ 0366折叠模拟中，使用简化的以本地为中心的模型，没有观察到通过穿线机制打结的优势。这指出了以前未被充分认识的协同氨基酸相互作用的作用，包括非天然的，在帮助接触形成的适当顺序，以实现打结。
2013-02-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The Invention of Proteomic Code and mRNA Assisted Protein Folding
背景遗传密码的理论要求由乔治·伽莫夫和弗朗西斯·克里克在50年代很好地定义和建模。他们的模型失败了。然而，Nirenberg和Matthaei在1961年提出的有效的遗传密码忽略了一个完美密码的许多理论要求。规范代码中缺少了一些东西。结果遗传密码的3倍冗余通常被解释为增加遗传信息抗突变能力的必要条件。然而，它有许多额外的角色。1.）的人。它具有与氨基酸的物理化学和结构性质相对应的周期性结构。2.）的情况。它提供了密码子边界的物理化学定义。3.）第三章它定义了编码蛋白质中氨基酸共定位（相互作用）的密码。4.）它通过摆动碱基调节mRNA的自由折叠能量（和结构）。我简短地回顾了遗传密码的历史以及我自己发表的观察结果，以提供一个新颖的，原始的解释它的冗余。结论多余的遗传密码含有氨基酸64/20定义以外的生物学信息。这些额外的信息用于定义编码核酸以及编码蛋白质的3D结构，它被称为蛋白质组学密码和mRNA辅助的蛋白质折叠。
2008-08-01 q-bio.BM q-bio.MN
Correlation between nucleotide composition and folding energy of coding sequences with special attention to wobble bases
背景资料：mRNA的二级结构和复杂性影响其对调节分子（蛋白质、微小RNA）的可及性、其稳定性和其表达水平。RNA序列的移动元件，摆动碱基，预期调节包含编码序列的结构的形成。结果：通过统计学、生物信息学方法研究了90个CDS（包含26，370个密码子）的序列/折叠能（FE）关系。我发现与编码序列相关的FE（dG）是显著的和负的（407 kcal/1000碱基，平均值+/- S.E.M.）表明这些序列能够形成结构。然而，FE仅具有小的自由分量，小于总量的10%。第一和第三密码子碱基对FE的贡献大于第二（中央）碱基的贡献。通过改变同义密码子中的摆动碱基，可以实现FE的~ 4倍变化。序列/FE关系可以用简单的算法来描述，并且总FE可以仅从核酸的序列组成来预测。不同同义密码子对FE的贡献是相加的，并且一个密码子不能取代另一个密码子。氨基酸的同义密码子对mRNA总折叠能的累积贡献与该氨基酸在翻译蛋白中的相对量密切相关。结论：同义密码子在决定mRNA FE和翻译蛋白质中氨基酸相对量的作用方面不可互换，即使它们在氨基酸编码方面不可区分。
2008-07-21 q-bio.BM q-bio.QM
