Effect of intense, ultrashort laser pulses on DNA plasmids in their native state: strand breakages induced by {\it in-situ} electrons
在水介质中，通过强度为1 - 12 TW cm $^{-2}$的强超短激光脉冲（820 nm波长，45 fs脉冲持续时间，1 kHz重复率）在DNA质粒pBR 322和pUC 19中诱导单链断裂。强激光辐射产生{\it in situ}电子，其诱导超螺旋DNA转化为松弛DNA。电子介导的DNA结构的松弛的程度是量化的。电子和自由基清除剂的引入抑制DNA损伤。
2010-06-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Monte Carlo implementation of supercoiled double-stranded DNA
采用Metropolis蒙特卡罗模拟研究了双链DNA在扭转应力作用下的弹性，其中扭转和超螺旋是碱基堆积相互作用和DNA互补碱基间形成的氢键约束的主链弯曲的自然结果.在拉伸-扭转和/或力-拉伸曲线中发现了三个明显的区域：低力区域，在该区域中，过缠绕和欠缠绕分子在拉伸下的行为相似;中等力区域，在该区域中，负超螺旋和正超螺旋DNA都出现手性，而欠缠绕分子的拉伸对聚合物的超螺旋程度不敏感;和一个大的力量制度，其中plectonemic DNA完全转化为扩展的DNA和超螺旋DNA的行为很像一个无扭转分子。扭转拉伸DNA的理论计算和最近的实验测量之间的惊人一致性[Strick et al.，Science { \bf 271}，1835（1996），Biophys. J. { \bf 74}，2016（1998）]强烈表明，碱基堆积相互作用和永久氢键约束之间的相互作用在理解超螺旋DNA聚合物的弹性的新性质中起重要作用。
1999-11-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Strand displacement: a fundamental mechanism in RNA biology?
DNA和RNA通常被认为是分子生物学中的中心分子。DNA/RNA纳米技术领域的最新进展成功地使用DNA/RNA作为可编程分子来构建具有预定形状和功能的分子机器和纳米结构。动态控制这些DNA/RNA纳米器件构象的关键机制是一种称为链置换的反应，其中形成的双链体中的一条链被第三条入侵链取代。虽然DNA/RNA链置换主要用于从头设计分子器件，但我们在这篇综述中认为，这种反应也可能在多个细胞事件中发挥关键作用，例如基因重组，基于CRISPR的基因组编辑和RNA共转录折叠。我们介绍了链置换反应的一般机制，给出了它在分子机器的建设中的应用的例子，最后回顾了自然过程的特点，这表明链置换正在发生。
2019-03-28 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.MN
Effect of intense, ultrashort laser pulses on DNA plasmids in their native state: strand breakages induced by {\it in-situ} electrons and radicals
在暴露于强度为1-12 TW cm $^{-2}$的超短激光脉冲（820 nm波长，45 fs脉冲持续时间，1 kHz重复率）产生的强场的水性介质中，DNA质粒pBR 322和pUC 19中诱导单链断裂。强场产生{ \it in situ}电子和自由基，其诱导超螺旋DNA转化为松弛DNA，其程度被量化。引入电子和自由基清除剂抑制DNA损伤;结果表明，OH自由基是DNA损伤的主要（但不是唯一）原因。
2011-02-15 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.med-ph
The probability of double-strand breaks in giant DNA decreases markedly as the DNA concentration increases
DNA双链断裂（DSB）是所有生物的严重损伤来源，因此已有许多体内和体外DSB的定量研究。尽管如此，导致其产生的过程尚未得到明确的理解，也没有既定的理论可以解释其产生的统计数据，特别是每单位Gy每碱基对的DSB数量，这里用P1表示，这是评估DSB构成的风险程度的最重要参数。在这里，使用单分子观察方法与巨大的DNA分子（166 kbp），我们评估的数量DSB所造成的γ射线照射。我们发现，P1是几乎成反比的DNA浓度高于一定的阈值DNA浓度。一个简单的模型，占P1的显着下降表明，它是必要的，考虑到巨大的DNA分子作为半柔性聚合物的特性来解释DSB的内在机制。
2012-05-08 physics.bio-ph q-bio.BM
Effect of shear force on the separation of double stranded DNA
利用Langevin动力学方法模拟了不同温度下剪切力对短双链DNA断裂的影响。结果表明，断裂力随链长的增加而线性增加，并趋于与实验一致的渐近值。这些曲线的定性性质对于不同的温度几乎保持相同，但力发生了变化。我们观察到三种不同的制度下的剪切力的共价键（骨干）的延伸。
2012-08-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
The Role of Cytosine Methylation on Charge Transport through a DNA Strand
胞嘧啶甲基化已被发现在各种生物学过程中起着至关重要的作用，包括许多人类疾病。检测这种小的修改仍然具有挑战性。在这项工作中，我们计算探索通过直接电导测量检测甲基化DNA链的可能性。利用密度泛函理论和Landauer-Buttiker方法，研究了八碱基对甲基化DNA链及其天然对应物的电子性质和电荷输运.我们首先分析了胞嘧啶甲基化对两条DNA链的紧结合参数的影响，然后模拟了有和没有退相干的情况下通过链的电子和电导的传输。我们发现，天然DNA和甲基化DNA之间的紧结合参数的主要区别在于（甲基化）胞嘧啶碱基的在位能量。两个最近邻鸟嘌呤碱基和（甲基化）胞嘧啶碱基之间的链内和链间跳跃积分也随着甲基的加入而改变。我们的计算表明，在相位相干极限，甲基化链的传输是接近天然链的能量附近的最高占据分子轨道水平和大于5倍的天然链的带隙。当存在相同速率的退相干时，透射的趋势也成立。实验中甲基化链的电导较低，这表明是由于甲基的引入使结构更稳定所致。我们还研究了交换相关功能的作用和接触耦合的影响，通过选择耦合强度范围从弱到强耦合限制。
2017-02-19 physics.bio-ph physics.chem-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
Hidden complexities in the unfolding mechanism of a cytosine-rich DNA strand
我们通过分子动力学模拟研究了富含胞嘧啶的DNA发夹结构的解折叠途径。我们的研究结果表明，在展开过程中存在一个隐藏的复杂性。我们表明，这种复杂的行为是由于非随机的贡献，有一个重要的影响描述的动态集体变量。
2011-09-26 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Sequence-dependent spin-selective tunneling along double-stranded DNA
我们报告了电子沿天然和人工双链DNA（dsDNA）夹在双链导线的自旋选择性隧穿。结果表明，自旋极化强烈依赖于dsDNA序列，并由它的末端段占主导地位。基因组和人工dsDNA都可以是有效的自旋过滤器。自旋过滤效应对发生在末端片段的点突变敏感。这些结果与最近的实验结果非常一致，并且对各种类型的无序具有鲁棒性，可以帮助设计基于DNA的自旋电子器件。
2012-11-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Maximum pull out force on DNA hybrids
我们从理论上讨论了两个胶体粒子之间的力F，每个胶体粒子携带一个单链DNA。两条链仅在连续碱基对的有限序列上互补。我们定义了一个调整长度（几个碱基对）：在配对区域两端附近的调整区域中，张力仍然主要集中在一条单链上。但在中心部分，两个主干的负荷是相等的。这导致断裂力随长度线性增加，并且在大长度时饱和。
2001-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio
Translocation frequency of double-stranded DNA through a solid-state nanopore
固态纳米孔是单分子传感器，当带电聚合物（如DNA）通过时，其测量离子电流的变化。在这里，我们提出了全面的实验上的长度，电压和盐的依赖性的双链DNA易位的频率通过圆锥形的石英纳米孔与平均开口直径为15 nm。我们观察到一个熵垒有限的，长度依赖的易位频率在4M氯化锂盐浓度和漂移为主，长度无关的易位频率在1M氯化钾盐浓度。这些观测结果描述了一个统一的对流扩散方程，其中包括一个熵的聚合物进入障碍的贡献。
2016-01-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Elastic property of single double-stranded DNA molecules: Theoretical study and comparison with experiments
本文旨在全面了解最近通过单分子操纵技术发现的双链DNA（dsDNA）的新弹性性质。提出了一种双链生物高分子的通用弹性模型，并引入了一个新的结构参数--折叠角$ϕ$来表征其变形。在此基础上，考虑了DNA相邻碱基对之间的碱基堆积作用、碱基对的空间效应以及DNA骨架上的静电相互作用，研究了长链双链DNA分子的力学性质.用路径积分方法得到了定量的结果，理论与五个主要实验组的观测结果符合得很好。碱基堆积相互作用的强强度确保了DNA的结构稳定性，而这种相互作用的短程性质使得外部刺激的大结构波动成为可能。DNA的熵弹性、高度伸展性和超螺旋性质都与此密切相关。本工作还表明，负扭矩可以诱导高度延伸的DNA从右手的B型结构转变为类似于Z型构型的左手构型。附录中列出了路径积分法在高分子体系中应用的有关公式。
2000-03-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
First passage time study of DNA strand displacement
DNA链置换，其中单链核酸侵入DNA双链体，在基因组过程和DNA工程应用中是普遍的。链置换的动力学已被大量研究;然而，潜在的链交换的动力学被一个缓慢的双分子缔合步骤所混淆。在这里，我们使用一种新的单分子荧光共振能量转移（smFRET）的方法，称为“裂变”试验，以获得单分子链置换的第一次通过时间的完整分布。在4.4 ms的帧时间，第一次通过时间分布为14 nt的位移域表现出几乎单调衰减，几乎没有延迟。在我们测试的8个不同序列中，平均位移时间平均为35 ms，变化高达13倍。所测量的置换动力学在互补入侵者之间以及相同碱基序列的RNA和DNA入侵者之间也不同，除了T $\rightarrow$ U置换。然而，置换时间对0.25 M至1 M范围内的单价盐浓度很大程度上不敏感。使用一维随机游走模型，我们推断单步位移时间在$\sim 30 μs$到$\sim 300 μs$的范围内，这取决于基身份。这里提出的框架是广泛适用于在单分子水平上研究的多步过程的动力学分析。
2021-05-20 physics.bio-ph q-bio.BM
Double strand breaks in DNA resulting from double-electron-emission events
考虑了DNA双链断裂（DSB）的一种机制，即双电子作用。这些是由于水分子电离而在DNA分子附近产生的电子，连续发射两个电子，使这种机制成为可能。这种效应定性地解决了DNA分子辐照后DSB大量产生的难题。传输的次级电子，包括额外的电子，研究有关的评估由于入射离子的辐射损伤。这项工作是一个阶段，在列入俄歇机制和类似的影响到多尺度的方法，离子束治疗癌症。
2012-01-27 physics.atm-clus physics.atom-ph physics.bio-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
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
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。
2001-09-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
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
A synthetic autonomous rotary nanomotor made from and fuelled by DNA
DNA纳米结构是使用合成的DNA链制成的，其序列被设计成使得它们将通过互补结构域的杂交自组装成所需的形式。已经提出了各种结构和设备，包括DNA镊子、纳米机器人和一系列直线电动机，如双足步行机。后者的灵感来自于天然存在的分子马达，如驱动蛋白。本文介绍了一个概念，自主旋转纳米管从DNA，它利用众所周知的和广泛研究的现象的立足点介导的DNA链位移。马达将由一系列链置换反应驱动，其顺序由包含马达机制的DNA链的二级结构产生的空间约束控制。如果能够实现自主旋转运动，DNA马达的能力将大大扩展。该装置具有一系列潜在的应用，包括分子计算和单分子操纵。
2015-05-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
DNA driven self-assembly of micron-sized rods using DNA-grafted bacteriophage fd virions
我们已经用寡核苷酸功能化fd噬菌体病毒粒子的侧面，以诱导DNA杂交驱动的高纵横比丝状颗粒的自组装。这种新结构的潜在影响范围从DNA折纸结构中的全新构建块，DNA纳米结构和纳米机器中的病毒体的包含，到向溶致液晶系统添加热致控制的新手段。一个协议生产的病毒体在散装审查。使用异双功能化学接头将硫醇化寡核苷酸连接至病毒衣壳。利用常用的系统，其中粘性单链DNA链连接到惰性双链间隔区以增加颗粒间连接性。携带互补链的fd病毒体的溶液被混合，退火，并使用动态光散射（DLS），荧光显微镜和原子力显微镜（AFM）研究它们的聚集。在冷却时清楚地观察到聚集，具有一定程度的局部有序性，并且当温度通过DNA杂交转变循环时是可逆的。
2014-11-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Reactive Molecular Dynamics Simulation on DNA Double Strand Breaks Induced by Hydrogen Elimination
本研究提出瘢痕模型，通过反应力场分子动力学模拟探究氚β衰变致氢消除引发的端粒DNA双链断裂机制，明确了双链断裂需两条链均有邻近分布的足量瘢痕的必要条件。
2024-07-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
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
Opening of DNA double strands by helicases. Active versus passive opening
双链核酸的解旋酶打开可以是“主动的”（解旋酶直接使dsNA不稳定以促进打开）或“被动的”（解旋酶结合由于打开部分dsNA的热波动而可用的ssNA）。我们描述了解旋酶开放dsNA，基于解旋酶结合单NA链，并向双链区域移动，使用离散的“跳跃”模型。解旋酶和双链打开的连接点之间的相互作用的特征在于相互作用势。电势的形式决定了开口是主动的还是被动的。我们计算的解旋酶PcrA的被动开放率，并表明，开放是主动时，速率增加。最后，我们研究了如何选择相互作用势来优化链分离的速率。一个重要的结果是，我们发现，主动开放可以增加7倍的解旋速率相比，被动开放。
2002-12-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
On the possibility of electronic DNA nanobiochips
我们已经考虑了作为一个理论上的可能性的纳米生物芯片的工作原理是基于测量电导的单链和双链DNA的发展。计算表明，在大多数情况下，双链核苷酸的电导大大超过单链核苷酸。所获得的结果与最近的实验测量寡核苷酸电导。已经表明，含有11个核苷酸对的电子生物芯片将识别大约97%的序列。还已经证明，可识别序列的百分比将随着序列长度而增长。
2013-04-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Kinetics of double stranded DNA overstretching revealed by 0.5-2 pN force steps
对双链DNA构象可塑性的详细描述是理解蛋白质-DNA相互作用的必要框架。然而，到目前为止，从ds-DNA的基本构象（B状态）到1.7倍长和部分解绕构象（S状态）的转变的结构和动力学尚未被定义。在此，使用双激光光镊以前所未有的分辨率测量了双链噬菌体的ds-DNA的力-延伸关系，该双激光光镊可以施加0.5-2 pN（25 C）的毫秒力阶跃。这种方法揭示了双链DNA中间态之间的过渡动力学，并揭示了单一反应步骤的速率常数的负载依赖性。DNA过度拉伸跃迁本质上是一个由5.85 nm台阶组成的两态反应，表明约25个碱基对的协同性。这种机制将单一反应的自由能增加到~94 kBT，解释了DNA基本构象的稳定性，并解释了平衡时力-延伸关系中没有滞后现象。对双链DNA的B-S跃迁的动力学和能量学的新描述提高了我们对S态在DNA-蛋白质机器的力学和酶学之间相互作用中的生物学作用的理解。
2011-03-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Thermodynamics of force-induced B-DNA melting: single-strand discreteness matters
B-DNA的过度拉伸目前被理解为力诱导的熔化。根据拉伸实验的几何形状，过度拉伸转变的力阈值约为65或110 pN。虽然Rouzina和Bloomfield \cite{RouzinaBloomfield2001a}已经正确地描述了力诱导熔化的机制，但两种力阈值都没有通过理论精确计算。在这项工作中，提出了一个详细的分析力-延伸曲线的基础上，描述的单链DNA的离散Kratky-Porod模型，符合（i）预期的轮廓长度从晶体学确定的单体距离，和（ii）高值的弹性拉伸模量所产生的共价键合。ss-DNA持久长度的估计值$λ= 1.0 $ nm处于目前已知估计值的低端，并反映了部分或完全拉伸状态的固有刚度，其中静电排斥效应预计最小。单链和双链DNA自由能的详细分析提供了过度拉伸力阈值的估计。在无约束几何结构中，预测阈值为64 pN。在约束的几何形状中，在允许熔融态的plectonemic拓扑的熵罚之后，预测的阈值为111 pN。
2019-02-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Structure of DNA-Functionalized Dendrimer Nanoparticles
通过原子分子动力学模拟揭示了以乙二胺（EDA）为核心的第3代（G3）和第4代（G4）质子化聚酰胺胺（PAMAM）树枝状聚合物的特征，这些树枝状聚合物被单链DNA（ssDNA）官能化。观察到通过烷基硫醇盐[-S（CH 2）6-]连接分子连接到PAMAM树枝状聚合物表面上的游离胺基团的四条ssDNA链在25 ns长的模拟期间经历快速的构象变化。从ssDNA的RMSD值，我们发现在富含嘌呤的ssDNA链的情况下比富含嘧啶的ssDNA链相对稳定。发现树枝状聚合物分子上ssDNA链的包裹程度受DNA和树枝状聚合物的电荷比的影响。由于G4树枝状聚合物比G3树枝状聚合物含有相对更多的正电荷，我们观察到ssDNA在G4树枝状聚合物上的广泛包裹。观察到ssDNA链与接头一起穿透树枝状聚合物分子的表面并更接近树枝状聚合物的中心，表明树枝状聚合物分子的软球性质。发现DNA功能化的树枝状聚合物纳米颗粒的有效半径与ssDNA的基本组成无关，并且当我们分别使用G3和G4 PAMAM树枝状聚合物作为纳米颗粒的核心时，观察到其为约19.5 μ m和22.4 μ m。所观察到的DNA官能化的树枝状聚合物分子的有效半径显然表明在树枝状聚合物、接头和DNA链中发生的结构的显著收缩。作为一个整体，我们的研究结果描述了DNA功能化的树枝状聚合物纳米粒子的特征，并可以作为强有力的输入，有效地设计的DNA-树枝状聚合物纳米粒子…
2012-03-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Sugar-Pucker Force-Induced Transition in Single-Stranded~DNA
单链DNA（ssDNA）的弹性性质的准确知识是表征通过力谱方法研究的分子反应热力学的关键，其中DNA是机械展开的。实例范围从DNA杂交，DNA配体结合，DNA解旋由解旋酶，等。迄今为止，ssDNA弹性已经研究了不同的方法在不同的序列和轮廓长度的分子。已经报道了结果的分散，并且已经发现对于较短的ssDNA分子，持续长度的值更大。我们进行了拉实验与光镊的弹性响应的ssDNA的长度超过三个数量级（60-14 k碱基）的特征。通过将力-延伸曲线（FEC）拟合到蠕虫样链模型，我们证实了上述趋势：相对于最长分子（14 kb），最短分子（60 b）的持久长度几乎加倍。我们表明，所观察到的趋势是由于不同的力制度适合长和短的分子，这转化为两个不同的弹性制度，在低和高的力量。我们解释了这种行为的力诱导的糖折叠构象转变（C3 '-endo C2'-endo）后拉ssDNA。
2021-10-18 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
From the double-stranded helix to the chiral nematic phase of B-DNA: a molecular model
合适浓度的B-DNA溶液形成左手手性相（胆甾相）。在其他刚性或半柔性手性聚合物的溶液中也观察到这种相;手性螺距的大小和手性与分子特征唯一相关。在这项工作中，我们提出了一种理论方法和数值计算程序，从聚电解质的结构，导致的预测的螺旋桨间距。分子表达式的自由能系统的基础上获得的空间和静电聚合物之间的相互作用;前者被描述在排除体积，而平均场近似用于后者。计算了130 bp的B-DNA片段。理论预测提供了一个解释的实验行为，通过显示的抵消作用所发挥的形状和电荷手性的分子。
2004-11-22 physics.bio-ph q-bio.BM
Conformation And Mechanical Response of Spray Deposited Single Strand DNA on Gold
吸附在表面的DNA链的单分子力谱是一种在空气或液体环境中用于量化其机械性能的强大技术。尽管到目前为止，力响应仅限于展开事件，但单碱基检测在更剧烈的清洁条件下（例如超高真空）可能是可能的。在这里，我们报告的高分辨率成像和拉尝试在低温（5K）的单链DNA（ssDNA）分子组成的20个胞嘧啶碱基吸附在Au（111）的扫描探针显微镜和数值计算。利用电喷雾沉积技术，ssDNA成功地从溶液转移到保持在超高真空的表面上。实空间表征表明，ssDNA在金上具有与数值计算一致的无定形结构。随后的衬底退火促进溶剂分子、作为单个分子的DNA的解吸以及DNA自组装的形成。此外，已经进行了通过力谱的拉伸实验以测量ssDNA在分离时的机械响应。在力曲线中观察到0.2至0.3nm的周期图案，该图案由单核苷酸碱基在金上的粘滑引起。虽然在力曲线中获得了分子内响应，但由于吸附在金上的ssDNA的复杂结构，不可能清楚区分每个核苷酸的分离。
2018-04-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The Tension on dsDNA Bound to ssDNA/RecA Filaments May Play an Important Role in Driving Efficient and Accurate Homology Recognition and Strand Exchange
众所周知，在同源识别和链交换过程中，DNA/RecA细丝中的双链DNA（dsDNA）高度延伸，但延伸的功能作用一直不清楚。我们提出了一个分析模型，计算在链交换过程中的扩展dsDNA的张力分布。该模型表明，额外的dsDNA碱基对与DNA/RecA细丝的结合改变了已经与细丝结合的dsDNA中的张力，导致作为结合碱基对数量的函数的机械能的非线性增加。这种集体的机械反应可能会促进同源性严格性和解释的实验结果的基础。
2012-11-06 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
Comparative Electrostatic Force Microscopy of Tetra- and Intra-Molecular G4-DNA
两种形式的G4-DNA，与平行和成对的反平行链，使用原子力显微镜进行了研究。链的方向性影响分子的结构特性（不同的高度和长度）及其电极化。平行G4-DNA的极化率是反平行G4-DNA的两倍，这表明它是一种更好的生物纳米电子学电线。
2014-09-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft 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
Local compression properties of double-stranded DNA based on a dynamic simulation
DNA的局部力学性质被认为在其生物功能和基于DNA的纳米机械器件中起着重要作用。利用一个简单的球形针尖压缩系统，通过改变针尖尺寸，系统地研究了DNA的局部径向力学性质。对直径为16 nm的球形针尖的压缩模拟结果与实验结果吻合较好。随着针尖直径的减小，外载荷作用下的径向压缩弹性性能变得敏感的针尖的大小和当地的DNA构象。当球径小于或等于12 nm时，压缩力曲线出现一个突然的力突变。氢键和碱基堆积相互作用的分析表明存在局部解旋过程。在局部解旋过程中，首先互补碱基对之间的氢键断裂。随着压缩聚集，压缩中心的局部骨架从双螺旋构象解绕成一种平行构象。这种由外载荷引起的局部解旋行为有助于理解生物学过程，对基于DNA的纳米机械器件具有重要意义。
2013-03-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Modeling DNA beacons at the mesoscopic scale
我们报告模型计算DNA单链描述的平衡动力学和动力学的发夹形成和熔化。建模是在单基地的水平。链刚性描述在简单的聚合物模型;替代计算使用自由旋转链和离散Kratky-Porod模型进行报告。根据Peyrard-Bishop-Dauxois哈密顿量对茎形成进行建模。在一个有效的自由能景观的扩散控制的运动方面的动力学的开放和关闭。解链曲线，解链温度对环长度的依赖性，以及动力学时间尺度与从形成聚（T）环的荧光DNA信标获得的实验数据半定量一致。链刚性的变化不足以解释闭合的大活化焓和在形成聚（A）环的发夹中观察到的强环长度依赖性。单链DNA或RNA建模的影响进行了讨论。
2007-06-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Direct visualization of charge transport in suspended (or free-standing) DNA strands by low-energy electron microscopy
低能量电子为单个生物分子的长时间曝光成像提供了独特的可能性，而没有显著的辐射损伤。此外，低能电子对局部电位表现出高灵敏度，因此可用于成像小至一个元电荷的一部分的电荷。这些特性的结合使低能电子成为一种令人兴奋的工具，用于成像单个生物分子中的电荷传输。在这里，我们演示了在约1 nm的分辨率下的单个脱氧核糖核酸（DNA）分子的成像，同时成像的DNA分子的电荷是小于一个元电荷每纳米的顺序。对DNA网络的不同部分进行的互相关分析表明，两个区域之间的电荷重新分布是相关的。因此，低能电子显微镜能够提供大分子结构及其电荷分布的同时成像，这可以有利于成像和构建纳米生物传感器。
2019-08-25 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.ins-det
A Simulation Approach for Determining the Spectrum of DNA Damage Induced by Protons
为了从DNA水平研究电离辐射对分子的损伤，采用Geant 4-DNA蒙特卡罗模拟程序对初级质子和其它次级粒子在液态水中的完全输运进行了模拟。为此，使用了B-DNA模型和关于其复杂性的DNA损伤的彻底分类。假设链断裂主要起源于通过能量沉积的直接物理相互作用（假设阈值能量为17.5 eV）或羟基自由基的间接化学反应（假设概率为0.13）。各种损伤的复杂性和频率的模拟结果计算为0.5至20 MeV的质子能量。给出了细胞（Gy.cell）-1的产率结果，假设每个DNA有22条染色体，每个染色体的平均数为245 Mbp。结果表明，质子能量低于2 MeV，超过50%的能量沉积在DNA体积内导致链断裂。对于双链断裂（DSB），存在DSB频率对质子能量的相当大的敏感性。不同的模拟和实验预测的DSB频率的比较作为质子LET的函数。它表明，一般来说，我们的产额结果（Gy.Gbp）-1与各种实验数据相媲美，似乎有一个更好的协议，我们的结果和一些实验研究，相比其他一些模拟。
2018-06-10 physics.bio-ph physics.med-ph
Overstretching of B-DNA with various pulling protocols: Appearance of structural polymorphism and S-DNA
我们报告的结构多态性的S-DNA时，一个典型的B-DNA在不同的拉伸协议，并提供了一个基本的分子理解的DNA拉伸机制。广泛的全原子分子动力学模拟揭示了当B-DNA沿相反链（OS3）的3'方向拉伸时，清晰地形成了S-DNA，其特征在于氢键数目、熵和自由能的变化。沿相反链（OS 5）的5'方向拉伸导致DNA的力诱导解链形式。有趣的是，沿着同一条链（SS）的相对两端拉伸导致S-和熔化的M-DNA结构共存。我们还通过计算各种螺旋参数对S-DNA进行了结构表征。我们发现，S-DNA有一个扭曲的~10度，对应的螺旋重复长度~ 36个碱基对，与以前的实验结果密切一致。此外，我们发现，DNA的规范和过度拉伸状态之间的自由能垒是较高的相同的终端（SE）拉协议相比，在这项工作中考虑的所有其他协议。总的来说，我们的观察结果不仅与现有的实验结果定性一致，而且还增强了对不同过度拉伸DNA结构的理解。
2017-11-24 physics.bio-ph
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
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
DNA Breathing Dynamics in the Presence of a Terahertz Field
我们考虑太赫兹场对双链DNA呼吸动力学的影响。我们模拟阻尼和驱动DNA链的空间局部开口的自发形成，发现线性不稳定性导致动态二聚化，而真正的局部链分离需要阈值振幅机制。基于我们的研究结果，我们认为，特定的太赫兹辐射暴露可能会显着影响DNA的自然动力学，从而影响基因表达和DNA复制中涉及的复杂分子过程。
2009-10-28 physics.bio-ph physics.comp-ph
Theory of Semi-discontinuous DNA Replication
Vellore Institute of Technology（维勒沃理工学院）
本文通过建立纳入滞后链聚合酶随机动力学的理论框架，计算冈崎片段与间隙的尺寸分布，并结合T4噬菌体实验数据，揭示了聚合酶与已合成冈崎片段的碰撞是触发其解离并塑造半不连续DNA复制特征的关键机制。
2026-09-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
Promoting single-file DNA translocations through nanopores using electroosmotic flow
双链DNA在沿着其长度的某处被捕获时，以线性、单列方式或以折叠的发夹构象移位通过足够大的纳米孔。我们表明，DNA的折叠状态可以通过改变测量缓冲液的电解质浓度，pH值和PEG含量来控制。在1 M LiCl或0.35 M KCl中性pH下，单列易位占总数的90%以上。我们属性的影响，从孔在低离子强度的电渗流的发病。我们的假设的关键作用的流量是支持的首选方向进入的一条链已被折叠成一个多螺旋结构的一端。对DNA折叠的控制对于纳米孔传感方法是至关重要的，该方法使用沿着DNA链的修饰和相关的次级电流降来编码信息。
2018-03-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Molecular rectifiers with very high rectification ratio enabled by oxidative damage in double-stranded DNA
在这项工作中，我们报告了一种新的策略，利用氧化损伤的DNA分子构建分子二极管，其记录可调谐整流比高达10^6。暴露于几种内源性和外源性事件，DNA遭受持续的氧化损伤，导致鸟嘌呤氧化为8-氧代鸟嘌呤（8 oxoG）。在这里，我们研究的本地和氧化损伤的DNA的电荷迁移特性，使用多尺度多构型的方法，包括分子动力学，密度泛函理论和动力学蒙特卡罗模拟。我们进行了全面的研究，以了解不同浓度和位置的8 oxoG在dsDNA序列上的CT性能的影响，并发现可调整流器的性能具有潜在的应用在分子电子学，如分子开关和分子整流器。我们还发现了全氧化Drew-Dickerson序列的负微分电阻特性。8 oxoG鸟嘌呤的存在导致电荷的捕获，从而作为电荷槽，这揭示了氧化鸟嘌呤如何使基因组的其余部分免于进一步的氧化损伤。
2022-02-27 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Differential stability of DNA based on salt concentration
细胞内正离子中和DNA链磷酸盐上的负电荷，赋予将互补链连接成双螺旋的氢键更大的强度，从而赋予增强的稳定性。超过一定的盐浓度值，DNA分子显示出不稳定的性质{ \it in vivo}以及{ \it in vitro}。我们考虑了广泛的盐浓度和研究的稳定性的DNA双螺旋使用的统计模型。通过数值计算，我们试图解释DNA分子在这个范围内表现出的不同行为。我们比较我们的结果与实验数据，并找到一个密切的协议。
2016-04-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
How nanochannel confinement affects the DNA melting transition within the Poland-Scheraga model
当双链DNA分子被加热或暴露于变性剂时，两条链就会分离。该过程的统计物理学有着悠久的历史，通常用波兰-谢拉加（PS）模型来描述。这个模型的关键是熔化区域的构型熵（与相同大小的完整区域的熵相比），由环因子量化。在这项研究中，我们调查如何限制影响的DNA熔融转变，通过使用一个理想的高斯链的环因子。通过对PS模型的数值求解，我们证明了单链和双链DNA的解链温度依赖于DNA的持续长度。对于现实的持久性长度的值的熔化温度预计将随着通道直径的减小而减小。我们还表明，限制扩大熔化过渡。这些一般调查结果适用于调查的三种情况：即1。同源DNA，即沿着DNA分子的相同碱基对; 2.随机序列DNA，和3.“真正的”DNA，这里是T4噬菌体DNA。我们表明，情况2和3一般会产生更广泛的过渡比情况1。如果随机序列DNA具有相同的AT与GC碱基对比率，则情况3表现出与情况2相似的相变。提供了一个简单的分析估计的熔化温度的变化作为纳米通道直径的函数。对于同源DNA，我们还提出了一个分析预测的熔化概率作为温度的函数。
2015-05-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Double-Strand Break Clustering: An Economical and Effective Strategy for DNA Repair
本研究利用Dragonfly显微镜和蒙特卡洛模型，揭示了非特异性诱导的DNA双链断裂（DSB）的时空簇集规律及53BP1的相分离作用，为DNA修复机制研究和疗法改进提供新见解。
2024-10-04 physics.bio-ph q-bio.BM
Theory on the mechanism of DNA renaturation: Stochastic nucleation and zipping
互补单链DNA的复性是分子生物学和生物物理学研究的重要课题之一。本文建立了一个DNA复性的随机动力学模型。根据我们的模型，在复性过程中至少有三个步骤，即不正确的接触形成，正确的接触形成和成核，和拉链。大多数早期的两态模型结合了形核和不正确接触形成步骤。在我们的模型中，我们认为，这是相当有意义的，当我们结合成核与拉链，因为成核是拉链的初始步骤和成核和拉链分子是不可区分的。非正确接触形成步骤是一个纯三维扩散控制的碰撞过程。而成核则涉及到一条单链DNA在另一条互补链上的几轮一维滑动动力学，寻找正确的接触点，然后启动成核。在成核后，随机拉链随后产生完全复性的双链DNA。看来，反应单链的长度上的总复性速率常数的平方根依赖性主要源于扩散控制的不正确接触形成步骤中的几何约束。此外，复性速率对反应介质粘度的反比也源于不正确接触形成步骤。另一方面，复性率与序列复杂性的反比源于随机拉链，其涉及在微观水平上跨越自由能势垒的几轮。
2015-11-22 physics.bio-ph q-bio.QM q-bio.SC
Ultrahigh molecular recognition specificity of competing DNA oligonucleotide strands in thermal equilibrium: a cooperative transition to order
分子识别的特异性是分子自组织的重要条件。一个突出的例子是生物细胞，在高度拥挤的分子环境中，无数不同的分子受体对以惊人的准确性识别它们的结合伴侣。在热平衡中，通常承认识别剂对的亲和力仅取决于两个结合分子的性质。因此，结合能差异的玻尔兹曼因子与竞争相同探针的不同靶分子之间的分子亲和力相关。在这里，我们考虑短DNA寡核苷酸单链的分子识别。我们表明，一个更好的匹配的寡核苷酸链可以战胜一个更集中的竞争对手，表现出降低亲和力，由于错配。与上面简单的图片的偏差可能达到几个数量级。在我们的实验中，给定链的有效分子亲和力仅在更好匹配的竞争者不存在时才保持升高。我们解释我们的观察结果的基础上发生的熵起源的能量障碍，如果两个竞争的寡核苷酸链同时占据同一探针。在这种情况下，相对结合亲和力不对称地降低，这导致自由能景观的表达，其代表了朗道描述的相变的形式类似物。我们的平均场描述再现了定量协议的意见。改进的分子识别的优点是除了分子系综的设计和竞争者的引入之外没有能量成本。这将是有趣的，看看机制沿着类似的线暴露在这里，有助于分子协同作用发生在生物系统。
2020-09-04 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
