Strongly bent double-stranded DNA: reconciling theory and experiment
人们对聚合物的强弯曲知之甚少。我们提出了一个一般的定量框架聚合物弯曲，包括弱和强弯曲制度在同一个立足点，基于一个单一的一般物理原理。当弯曲变形增加超过某个（聚合物特定的）点时，聚合物的有效弯曲能量的凸性性质的变化使得谐波变形在能量上不利：在这种强弯曲状态下，聚合物的能量随着平均弯曲角度线性变化，因为系统遵循变形能量函数的凸包。对于双链DNA，对于大于约2度/碱基对的弯曲，等效于约160个碱基对的闭合圆环的曲率，有效弯曲变形能变为非凸的。一个简单的方程推导出的聚合物环能量，涵盖了弱和强的弯曲制度。该理论与最近的DNA环化实验短的DNA片段的定量协议，同时保持预期的协议与实验中的弱弯曲制度。与直觉相反，预测非常短的DNA环的环化概率（j因子）随着环长度的减小而增加; j因子在45个碱基对的环中达到最小值。原子模拟结果表明，主链原子间短程Lennard-Jones相互作用的吸引力分量可以解释DNA有效弯曲能的非凸性，从而导致线性弯曲机制.该理论的适用性蛋白质-DNA复合物，包括核小体，进行了讨论。
2019-07-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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。
2007-04-30 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
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。
2013-09-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A-Tract Induced DNA Bending is A Local Non-Electrostatic Effect
由规则重复的腺嘌呤束（A束）在双螺旋B-DNA中诱导的宏观弯曲是一个长期已知的，但仍然无法解释的现象。这种效应在DNA研究中起着关键作用，因为它在可用实验信息的数量和种类上是独一无二的，因此，很可能成为通往基因组序列识别和调控的未知一般机制的大门。近年来的主流观点是，一般来说，DNA中的宏观弯曲是由磷酸基团之间的长程静电排斥引起的，当其中一些磷酸基团被邻近的外部电荷中和时。在A束的情况下，这可能是特异性结合的溶剂抗衡离子。在这里，我们报告有关分子动力学模拟，其中正确的静态曲率在DNA片段与相腺嘌呤束自发出现的条件下，任何作用的抗衡离子或远程静电效应可以被排除。
2000-02-04 physics.bio-ph q-bio.BM
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。
2018-09-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Direct measure of DNA bending by quantum magnetic imaging of a nano-mechanical torque-balance
本文提出利用金刚石量子缺陷磁成像与铁磁纳米颗粒构成的纳米机械扭矩平衡，直接检测单个 DNA 分子的弯曲-扭矩响应，并验证了构型差异定性识别与弯曲响应定量测量。
2024-02-28 physics.bio-ph quant-ph
Extreme bendability of DNA double helix due to bending asymmetry
作为研究紧密弯曲DNA弹性行为的一种方法，短尺度下DNA环化（J因子）的实验数据比基于蠕虫链（WLC）模型的理论预期高出几个数量级。在这里，我们提出，在凹槽方向的双螺旋的不对称的弯曲刚度可以负责极端的弯曲性的DNA在短的长度尺度，它也有利于DNA环的形成在这些长度。为了解释弯曲的不对称性，我们考虑了在早期研究（B。Eslami-Mossallam和M. Ejtehadi，Phys.Rev.E80，011919（2009））。利用DNA分子在碱基对（bp）水平上的粗粒度表示，采用蒙特卡罗模拟方法结合伞形抽样技术，计算了AER模型中DNA成环概率.我们发现，对于DNA分子有一个更大的J-因子相比，WLC模型是在最近的实验数据非常吻合。
2015-05-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Entropic elasticity of DNA with a permanent kink
许多蛋白质与细胞中的双链DNA相互作用并使其变形。单分子实验已经研究了DNA与螺旋变形蛋白质的弹性，包括弯曲DNA的蛋白质。这些实验增加了对包括螺旋变形蛋白质在内的DNA弹性理论的需求。以前关于弯曲DNA的理论工作已经研究了具有许多非特异性结合蛋白的长DNA分子。然而，最近的实验使用相对较短的DNA分子，具有单一的，明确定义的弯曲位点。在这里，我们开发一个简单的理论描述的影响，一个单一的弯曲。然后，我们包括在有限蠕虫状链模型（FWLC）的短DNA分子连接到珠的弯曲的描述。我们预测如何DNA力的延伸关系的变化，由于形成一个单一的永久性扭结，在所有值的施加拉伸力。我们的预测表明，高分辨率的单分子实验可以确定蛋白质结合时诱导的弯曲角。
2006-07-28 physics.bio-ph
Helical microstructures in molluscan biomineralization are a biological example of close packed helices that may form from a colloidal liquid crystal precursor in a twist-bend nematic phase
我们证明，自然界产生了一个紧密包装的螺旋扭曲的丝状材料在生物矿化的软体动物。在液晶中，扭曲-弯曲向列相已被预测和观察到。我们提出和分析的证据表明，螺旋生物矿物的微结构的软体动物壳可能形成这样的液晶前体。
2022-10-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Reversible B/A Transitions in Single DNA Molecule Immersed in A Water Drop
阐明DNA多态性的详细机制是计算分子生物物理学的一个重要挑战。本文报道了在模拟滴定实验中，通过改变双螺旋溶质周围水滴的大小，在计算机上观察到DNA的可逆A/B跃迁。对应于B/A转变的水化数的估计范围大致与实验数据一致。研究了链长依赖性，并且当片段变得短于一个螺旋圈时，似乎向A-型的转变受阻。在低水合作用下的A/B转变的动力学是合作的，并且主要由夹在大沟中的磷酸盐链之间的抗衡离子的中程静电相互作用驱动。这些计算观察到的A/B过渡的共同实验条件的对应关系进行了讨论。
2003-02-05 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
DNA-Protein Binding Rates: Bending Fluctuation and Hydrodynamic Coupling Effects
我们研究扩散粒子和半柔性聚合物上的靶位点之间的扩散限制反应，这是决定DNA-蛋白质结合和细胞骨架丝聚合动力学的关键因素。我们的理论集中在两个竞争的影响：聚合物的形状波动，这加快协会，和扩散颗粒和链之间的流体动力学耦合，这减慢协会。聚合物弯曲波动使用平均场动力学理论，而聚合物和颗粒之间的流体动力学耦合是通过一个简单的启发式近似。这两个我们验证通过比较与布朗动力学模拟。这两种效应都没有得到充分考虑之前在生物物理方面，我们表明，他们是必要的，以形成准确的估计反应过程。缔合速率取决于聚合物的刚度和颗粒尺寸，表现出最大的中间持久长度和最小的中间颗粒半径。在与DNA-蛋白质结合相关的参数范围内，与简单质心运动的Smoluchowski结果相比，速率增加高达100%。理论所作的定量预测可以通过实验来检验。
2010-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Mesoscopic helical models for DNA
核酸的物理性质已经通过基于完全原子论表示和粗粒度模型（例如来自聚合物物理学的蠕虫状链）的理论方法进行了研究。在这篇文章中，我提出了一个中间（介观）的方法，并展示了如何建立一个三维的哈密顿模型，占主要的相互作用负责的螺旋分子的稳定性。虽然3D介观模型在碱基对水平上产生了对螺旋的足够详细的描述，但它也允许人们预测溶液中分子的化学和结构性质。基于碱基对涨落可以看作是轨道的思想，我建立了一个基于时间依赖路径积分形式的计算方法来推导配分函数。虽然提出的方法的主要特点，我在这里特别关注一个新开发的统计方法来设置最大幅度的碱基对波动，理论的一个关键参数。结合已有的实验数据讨论了该方法在计算DNA柔性性质中的应用。
2022-08-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
DNA twist stability changes with magnesium(2+) concentration
为了理解DNA在高机械载荷（F > 30 pN）下的弹性，需要考虑其螺旋性质，即扭曲和拉伸自由度之间的耦合形式。DNA弹性的流行模型，蠕虫状链，以前扩展到包括这种扭曲-拉伸耦合，产生了可扭曲的蠕虫状链。出于DNA的带电性质，和已知的离子电荷对分子的持久长度和拉伸模量的影响，我们探讨了缓冲离子条件对扭转-拉伸耦合的影响。在开发了一个强大的拟合力延伸数据的方法，我们发现，DNA的螺旋扭曲是稳定在高浓度的镁二价阳离子。
2014-12-30 physics.bio-ph
Three-dimensional double helical DNA structure directly revealed from its X-ray fiber diffraction pattern by iterative phase retrieval
相干衍射成像（CDI）允许从其衍射图案中检索孤立物体（如大分子）的结构。CDI需要满足两个条件：成像辐射必须是相干的，物体必须是孤立的。我们讨论，它是可能的直接检索的分子结构，从它的衍射图案，这是既不与相干辐射，也不是从一个单独的分子，只要分子表现出在一个方向上的周期性，在纤维衍射的情况下。我们证明，通过应用迭代相位恢复方法的纤维衍射图案，重复单元，即分子结构，可以直接重建没有任何事先建模。作为一个例子，我们从二维X射线纤维衍射图（照片51）中恢复了DNA双螺旋的三维结构，照片51是雷蒙德·高斯林和罗莎琳德·富兰克林在著名的实验中获得的，分辨率为3.4埃。
2018-11-11 physics.bio-ph physics.data-an physics.ins-det
The dimensionality of a coiled helical coil
本文研究螺旋线圈递归卷绕时的信息维度，发现其维度约等于e，并指出DNA的B型因维度最接近该最优值而最为常见。
2024-04-11 cs.DC cs.IT math.IT
Theory of High-Force DNA Stretching and Overstretching
单链和双链DNA的单分子实验引发了人们对聚合物力延伸的新兴趣。可扩展的自由连接链（FJC）模型经常被用来解释观察到的单链DNA的行为。我们证明，这个模型不能令人满意地描述最近的高力拉伸数据。相反，我们提出了一个模型（离散持久链，或“DPC”），该模型借用了FJC和Wormlike Chain的特征，并表明它与数据更相似。我们发现，以前归因于拉伸弹性的大部分高力行为实际上是校正熵弹性的一个特征;单链DNA的真实拉伸顺应性比以前的作者发现的小几倍。接下来，我们阐述我们的模型，允许共存的两种构象状态的DNA，每个都有自己的拉伸和弯曲弹性常数。我们的模型在计算上是简单的，并提供了一个很好的适合通过整个过度拉伸过渡的切口，双链DNA。拟合给出了拉伸状态的弹性常数的第一个值。特别地，我们发现DNA在这种状态下的有效弯曲刚度约为10 nm*kbt，这一值与B型或单链DNA完全不同
2002-06-27 physics.bio-ph q-bio.BM
Relaxation of DNA curvature by single stranded breaks: Simulations and experiments
最近提出的压缩骨架理论表明，DNA中的固有曲率可能是由特定骨架长度和最佳碱基堆积方向之间的几何失配引起的。它预测，在A束重复的曲率可以通过引入单链断裂（切口）放松。这种效应以前没有被测试过，也不能用DNA弯曲的替代模型来解释。在这里，在一个专门设计的一系列切口DNA片段的曲率进行了测试实验，凝胶迁移率测定，同时，通过自由分子动力学模拟。单链断裂对随机序列DNA的凝胶迁移率几乎没有影响。与此相反，切口A-道片段揭示了一个规则的调制曲率取决于相对于整体弯曲的链断裂的位置。当切口出现在A束内时，观察到最大松弛。模拟结果部分再现。计算弯曲的DNA构象的分析揭示了一组糖原子，表现出减少的骨架长度内的A-道，这可以对应于压缩假说。
2003-11-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Effective interaction between helical bio-molecules
利用计算机模拟电解质的“原始”模型，计算了螺旋生物分子（如脱氧核糖核酸（DNA））的两条平行链之间的有效相互作用。特别是，我们研究了一个简单的模型B-DNA明确纳入其电荷模式作为一个双螺旋结构。施加在分子上的有效力和有效扭矩取决于中心距离和相对取向。分析和计算了不同盐浓度下单价反离子对这些力和力矩的非线性屏蔽作用。结果发现，力的符号敏感地依赖于相对取向。对于小于$6Å$的分子间距离，它既可以是吸引的，也可以是排斥的。此外，我们报告了一个非单调行为的有效力增加盐浓度。这两个特征都不能用线性筛选理论来描述。对于大的距离，另一方面，结果同意线性屏蔽理论提供的生物分子的电荷是适当的重整化。
1999-12-29 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Electronic transport in single-helical protein molecules: Effects of multiple charge conduction pathways and helical symmetry
我们提出了一个紧束缚模型来研究单个螺旋蛋白质分子的电子输运性质，该模型同时考虑了螺旋对称性和多个电荷转移途径的可能性。我们的研究表明，由于存在多个电荷转移途径和螺旋对称性，在环境波动的影响下，这些生物分子的输运性质相当刚性，这表明这些生物分子可以作为纳米电子器件中比其他生物对应物更好的替代物，单链DNA
2016-03-07 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Lancret helices
在基尔霍夫杆模型的框架内，研究了具有非定常弯曲和扭转刚度的非均匀对称杆的螺旋构型。从静力学的基尔霍夫方程组出发，得到了一组关于杆中心线曲率和挠率的微分方程，并利用Lancret定理求出了螺旋线解。我们得到一个独立的螺旋解的非均匀杆的曲率和扭矩取决于沿杆的弯曲系数的变化形式。这些结果得到的非均匀杆没有固有曲率，并为一个特定的情况下的固有曲率。
2005-07-13 physics.bio-ph
Bending and Base-Stacking Interactions in Double-Stranded Semiflexible Polymer
推导了双链半柔性生物聚合物（如DNA和肌动蛋白）的弯曲能和碱基堆积能的简单表达式。通过变分求解薛定谔方程，得到了两股之间的折叠角分布。基于该模型的DNA链的伸长与力和伸长与超螺旋度关系的理论结果与Cluzel { \it et al.}的实验结果符合得很好。[Science { \bf 271}，792（1996）]，Smith { \it et al.} [{ \it同上} { \bf 271}，795（1996）]和Strick { \it等人} [{ \it同上} { \bf 271}，1835（1996）]。
1998-11-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
In vivo evidence of alternative loop geometries in DNA-protein complexes
lac阻遏物使双链DNA成环的体内自由能具有显著的行为，其起源尚未完全了解。除了固有的周期性的DNA双螺旋，在体内的自由能有一个振荡分量的约一半的螺旋周期和振荡的幅度显着小于目前的理论预测的不对称。在这里，我们表明，在体内的行为是准确地占同时存在的两种不同的构象的环状DNA。我们的分析表明，这两种构象具有不同的最佳自由能和相位，并且它们在关键结构蛋白的存在下表现得截然不同。
2006-02-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Plasmonic Toroidal Metamolecules Assembled by DNA Origami
我们展示了等离子体环形超分子的分级组装，其在可见光谱范围内表现出定制的光学活性。每个超分子由四个相同的折纸模板螺旋结构单元组成。这样的环形元分子显示出比螺旋结构单元的单体和二聚体更强的手性光学响应。等离子体结构的对映体产生相反的圆二色性光谱。实验结果与理论模拟吻合较好。我们还表明，由于圆对称的结构，沿其轴向方向不同的手征光学响应可以通过简单的旋涂的超分子在基板上被发现。我们的工作提供了一种新的策略，以创建等离子体手性平台与复杂的纳米级架构的潜在应用，如手性传感使用基于化学的组装系统。
2018-03-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Persistence Length of DNA Macromolecule with Kinks
变形DNA构型参数的研究是细胞双螺旋压缩等重要生物学过程研究中的一个相关问题。伴随着规则大分子结构的局部破坏的变形引起双螺旋的显著弯曲或扭结。本文提出了一种用Kratky-Porod模型计算含扭结DNA大分子持久长度的方法。所提出的方法认为扭结的任意配置，包括两种基本类型的扭结，1型-尖锐扭结引起的unstacking一个单一的碱基对的步骤，和2型-内在诱导的扭结，涉及几个碱基对。利用该方法得到了扭结双螺旋的持续长度、螺旋尺寸和回转半径的解析表达式。
2014-10-20 physics.bio-ph q-bio.BM
Spin-Selective Transport of Electron in DNA Double Helix
在双链DNA中观察到高自旋选择性和长度依赖性自旋极化的实验[Science ${\bf 331}$，894（2011）]通过考虑自旋轨道耦合、环境诱导的退相和螺旋对称性的组合来阐明。我们发现，在双链DNA的自旋极化是显着的，即使在弱的自旋轨道耦合的情况下，而没有自旋极化出现在单链DNA。进一步研究了自旋极化的物理机制和参数依赖性。
2012-01-23 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Elasticity of DNA and the effect of Dendrimer Binding
带负电荷的DNA可以被带正电荷的树枝状聚合物压缩，并且压缩程度是静电相互作用的强度和DNA的弹性之间的微妙平衡。我们报告各种弹性短双链DNA（dsDNA）和树枝状大分子结合的效果，使用完全原子分子动力学和数值模拟。在室温平衡状态下，dsDNA的轮廓长度分布P（L）和端-端距离分布P（R）近似为高斯分布，前者给出了dsDNA的拉伸模量γ_1的估计值，与文献值定量一致。dsDNA的弯曲角分布P（θ）也具有高斯形式，并且允许提取43 nm的持久长度L_p。当dsDNA被带正电的树枝状聚合物压实时，拉伸模量保持不变，但由于树枝状聚合物对dsDNA的骨架电荷中和，从端到端距离分布估计的有效弯曲刚度急剧下降。我们支持我们的观察与蠕虫状链（WLC）模型的数值解，以及使用非平衡dsDNA拉伸模拟。这些结果有助于理解dsDNA在短长度尺度下的弹性，以及当dsDNA结合到带电物体如树枝状聚合物或蛋白质时弹性如何被调制。
2013-07-24 cond-mat.soft physics.bio-ph 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
A Single Nucleotide Resolution Model for Large-Scale Simulations of Double Stranded DNA
提出了一种单核苷酸水平的双链DNA介观模型，保留螺旋结构并支持高达一百万碱基对的大规模并行模拟，其行为与单分子实验相符，并给出了线性DNA变性动力学结果。
2016-08-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Long range correlations in DNA sequences
本文用一种与模型无关的方法，对单个或一组核苷酸的密度分布进行方差分析，研究了DNA序列的长程相关性质。这种新方法已被应用于提取斜率参数，表征几个含内含子和无内含子的DNA序列的相关性。所有DNA序列的一个重要方面是互补性的性质，凭借这一性质，任何两个互补分布（如GA与TC互补或G与ATC互补）在所有尺度上都具有相同的波动，尽管它们的分布函数不需要相同。由于这种互补性，著名的DNA步行表示，其统计解释仍然是未解决的是一个特殊的情况下，目前的形式主义与密度分布对应的嘌呤或嘧啶基团。大多数DNA序列的另一个有趣的方面是，阶乘矩作为长度的函数，在双对数图中方差与长度的关系显示弯曲的区域周围超过1。这是一个纯粹的现象学观察，发现了几个DNA序列与少数例外。因此，该长度尺度被用作近似测量，以从斜率分析中排除弯曲区域。核苷酸含量的不对称性或斑块结构作为长程相关的可能来源也进行了研究。
2002-03-20 physics.bio-ph q-bio
Resonant helical deformations in nonhomogeneous Kirchhoff filaments
本文研究了具有周期性变化杨氏模量的非均匀基尔霍夫纤维的三维静态结构。这种类型的变异可能发生在DNA的长串联重复序列中。我们分析的杨氏模量的频闪映射中的振荡频率和振幅的影响，并在定期（非混沌）的空间配置的细丝。我们的分析表明，长丝的三维构象可能严重依赖于杨氏模量频率的情况下，与其他固有频率的长丝共振。正如所料，远离共振的解决方案的形状仍然非常接近的齐次情况。在生物分子的情况下，众所周知，除了序列依赖性效应之外，各种其他元素结合起来决定它们的构象，如自接触，盐浓度，热波动，各向异性和与蛋白质的相互作用。我们的研究结果表明，序列依赖性效应本身可能对这些分子（包括DNA）的形状产生重大影响。因此，这可能是“垃圾”序列的一种可能的机械功能。
2004-04-30 physics.bio-ph physics.class-ph q-bio
