MRDNA：一种用于预测DNA系统结构和动力学的多分辨率模型

克里斯托弗·马菲奥（Christopher Maffeo）和Aleksei Aksimentiev
核酸研究（2020）
doi：10.1093/nar/gkaa200Bibtex

强调

设计复杂的DNA纳米结构可能是一个耗时的过程，可以涉及迅速修改设计的实验表征的综合。与这种方法相辅相成，我们提出了一个称为MRDNA的多分辨率仿真框架，该框架可以快速表征DNA纳米结构，在短短10分钟内产生一个原子模型。我们通过直接比较模拟结果与多个3D DNA折纸对象重建的冷冻电子显微镜（Cryo-EM）重建的结果来证明MRDNA框架的保真度。我们还表明，我们的方法可以表征动态DNA纳米结构所采用的一系列构象，平衡结构和动力学的DNA对象的DNA对象使用液位外的自组装原理，即线框架DNA对象以及在多样性下的属性，环境条件，例如应用电场。实施为开源Python包裹，我们的框架可以由社区扩展，并与DNA设计和分子图形工具集成。框架也为我们的DNA折纸结构预测服务。一个教程涵盖MRDNA框架的基本（命令行）和高级（脚本）使用。

抽象的

尽管结构性DNA纳米技术领域一直以惊人的速度发展，但从头复杂的3D纳米结构和功能设备的设计仍然是一个费力且耗时的过程。原因之一是需要多个实验表征的循环，以阐明设计选择对自组装对象的实际形状和功能的影响。在这里，我们演示了一个多分辨率的仿真框架MRDNA，在30分钟或更短的时间内可以产生自组装的DNA纳米系统的原子分辨率结构。我们通过直接比较模拟结果与多个3D DNA折纸对象重建的冷冻电子显微镜（Cryo-EM）重建的结果来证明MRDNA框架的保真度。此外，我们表明我们的方法可以表征动态DNA纳米结构所采用的构象合奏，平衡结构和动力学的DNA对象的动力学和动力学，使用液态外的自组装原理，即线帧DNA对象，并研究DNA对象的性质在各种环境条件下，例如应用电场。作为开源Python软件包实施，我们的框架可以由社区扩展，并与DNA设计和分子图形工具集成在一起。

PDF图标补充

用于计算解决3D DNA折纸的结构的典型MRDNA模拟“指针”由Dietz Group设计。粗粒仿真分为三个阶段：（1）将5 bp/珠模型映射到（2）2珠/bp模型中，该模型明确表示每个基础epair的方向，但允许DNA的链接数到更改，然后是（3）具有固定链接号码的2珠/BP模型。最终配置被映射到适合使用该模型的全原子模型中enng-md方法。

通过指针结构的5 bp/珠MRDNA模拟和冷冻EM重建（EMD-2210）获得的结构模型的比较。模拟结构和实验结构分别描述为CG珠（蓝色，1 bp/Å3isOvalue）和电子（白色，0.08 isOvalue）密度的等值线。通过计算来自16个独立轨迹的平均坐标来获得模拟结构。

模拟“滑块”由Castro组设计的折纸纳米结构以分辨率为5 bp/珠和持续500μs进行。滑块由固定在六螺旋束轴（蓝色）的大底座组成，该轴穿过可移动轴承（蓝绿色）的螺纹，该轴是在底座的相对端和轴的尖端上束缚的，总计十二个柔性链接器。从模拟中提取的轴承和底座之间的距离分布与从实验生产的滑块纳米结构的TEM图像中提取的等效分布总体一致。

MRDNA框架由我们的GPU加速生物分子模拟引擎提供动力，arbd，它支持在网格上定义的外部电势的应用。在这里，此功能用于演示静电驱动的纳米夹术的捕获线框DNA纳米结构由HögbergGroup设计Vhelix。