新创重建的DNA折纸结构通过原子的分子动力学模拟

克里斯托弗•Maffeo Jejoong Yoo和阿列克谢Aksimentiev
核酸的研究44 (7)3013 - 3019 (2016)
DOI:10.1093 / nar / gkw155助理

突出

我们最近的改进让我们问:原子力字段足够MD准确预测DNA折纸结构?指针结构,研究了通过低温电子显微镜(低温电子显微镜),是目前最合适的DNA折纸对象。我们发现在200年ns模拟指针从一个原子论的模型的理想化的构象,DNA折纸对象迅速接近一个构象与低温电子显微镜重建一致。

所有原子的折纸模型对象是大型(~ 6 M的原子),和模拟进行了数月数以百计的超级计算机节点上。这限制了实用的常规结构预测的方法,纳米技术领域的一个重要目标。因此,我们开发了一个替代方法,忽略了溶剂和远程静电学,利用一个弹性的限制网络稳定DNA,并使用额外的约束来扩展DNA螺旋远离折纸跨界车。

弹性网制导仿真工作非常好。在短短2纳秒的模拟,DNA构象接近构象与低温电子显微镜重建(见一致轨迹nanoHUB)。这么短的模拟可以在工作站上进行。验证协议,所有原子模拟弹性网引导结构浸在溶剂和模拟了~ 150 ns。结构是见过是稳定的。

MD模拟准确捕捉微妙的结构特点的DNA折纸。例如,特点象模式实验中观察到出现在我们的模拟。不寻常的图案,如左撇子psuedo-helix在实际建模。因此,如果需要atomically-detailed结构预测,MD模拟的方法选择。设置自己的折纸结构预测仿真在这里!

文摘

DNA折纸方法带来了nanometer-precision制造分子生物学实验室,提供无数的合成生物学领域的潜在应用,生物分子医学、分子计算等。推进方法进一步需要控制自组装到原子尺度。在这里我们展示一种计算方法,允许大的平衡结构,复杂的DNA折纸对象决定原子分辨率。通过直接与低温电子显微镜的结果,我们将演示新创重建4.7 megadalton指针结构通过完全的原子的分子动力学模拟。此外,我们表明,弹性network-guided模拟执行没有溶剂能产生相似的精度计算的一小部分成本,这种方法使一个有吸引力的原型和DNA自组装纳米结构的验证方法。

的“指针”对象通过所有原子MD 200 ns模拟,从一种理想化的配置直接DNA螺旋。DNA螺旋被作为全球扭曲发展迅速分开。的root-mean-squared-deviation psuedo-atomic结构来自低温电子显微镜看到单调下降,接近1海里。

我们开发了一个简单的协议,它提供了atomically-detailed结构预测的一小部分成本的所有原子MD模拟。溶剂被忽视的模拟,而DNA螺旋stabiliized通过弹性网络的限制。因为没有离子屏幕静电相互作用,远程静电相互作用是截断。我们从以前的研究知道DNA螺旋在平方晶格折纸典型溶剂休息相隔3 nm远离跨界车。没有远程静电学将螺旋分开,我们添加intra-helical谐波债券传播螺旋线。在不到2纳秒的模拟使用上述协议,我们获得一个更好的所有原子的结构比200纳秒MD模拟。

对比模拟(蓝色)和低温电子显微镜(红色)结构指针对象的派生而来。等值面(白色)的电子密度重建低温电子显微镜测量显示在电影的开始。模拟结构是由构象年底获得1.7 ns弹性network-guided模拟。这部电影强调区域的指针结构,特别感兴趣的是低温电子显微镜重建研究。