粗粒度模型的非结构化的单链DNA来自原子论的模拟和单分子实验

克里斯托弗•Maffeo Thuy t . m .非政府组织Taekjip公顷,阿列克谢Aksimentiev
理论和计算化学杂志》上10 (8)2891 - 2896 (2014)
DOI:10.1021 / ct500193u助理

突出

每一个细胞都包含一个蓝图生活形式的DNA,聚合物分子具有独特的物理和化学性质。尽管其突出的作用在中央的生物过程,如复制、转录和修复,单链DNA双链DNA相比,一些研究的主题。是理想的精确计算模型ssDNA协助实验结果的解释。然而,标准的生物分子计算modeling-all-atom分子动力学模拟计算要求模拟甚至短(< 100元)DNA片段。需要一个简单的粗粒度模型。刺激的单链DNA dirth可靠的粗粒度模型,Aksimentiev和Ha组合作创建第一个DNA单链DNA专门优化的计算模型。参数化的组合结构属性提取所有原子模拟和实验中,模型再现了实验测量force-extension依赖的聚(dT)链跨两个数量级的作用力。证实了模型的精度测量端到端距离dT14片段通过使用光学镊子烦恼而伸展的分子。模型的计算需求和高精度低使其在设计中使用的新DNA纳米技术设备和单分子实验的解释。

文摘

单链DNA的一个简单的粗粒度模型(ssDNA)开发,以每个核苷酸表示只有两个网站的中心支柱的质量和糖/碱组。在模型中,以保税表描述的网站之间的相互作用势优化复制DNA的解决方案结构中观察到原子的分子动力学模拟。各向同性势描述nonbonded交互,隐式地考虑溶剂条件匹配实验确定ssDNA回转半径。非结构化的模型再现了实验测量force-extension依赖DNA链穿过2数量级的作用力。证实了模型的精度测量端到端距离的dT14片段通过使用光学镊子烦恼而伸展的分子。模型提供了简单的概括系统含有双链DNA和DNA结合蛋白质。

ssDNA开发我们的粗粒度模型,我们首先执行一个所有原子参考模拟dT60使用电流最佳实践为模拟涉及DNA-ion交互。所有原子轨道被映射到一个粗粒度的表示有两个珠子每核苷酸。分布的债券、角度和二面角角度以及非键对分布函数提取的粗粒度的参考轨迹。使用迭代玻耳兹曼反演,粗粒度的潜力被反复调整直到simultations生产分布密切匹配参考分布。

粗粒度电位精制后繁殖分布从所有原子模拟,提取的粗粒度ssDNA被发现有一个小回转半径(衡量大小)超过预期的实验。我们添加了少量的汤川斥力之间的非键P珠子,直到60-nucleotide片段的回转半径匹配实验测量。没有进一步的调整到模型中。

粗粒度的DNA模型准确地捕捉ssDNA强迫的弹性响应。这里的作用力不同从2 pN(粉红色)20 pN(红色)和沿垂直轴应用。

我们的粗粒度的DNA模型可以很容易地扩展。例如,通过添加一些谐波限制ssDNA模型我们开发了一个玩具dsDNA粗粒度模型,准确地抓住了持久性ssDNA的长度。