DNA動力學與彈性性質(zhì)研究.pdf

1、DNA的力學性質(zhì)在其參與的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組等生物學行為中發(fā)揮著重要作用。但長期以來絕大部分研究集中于其基于堿基序列的生物化學性質(zhì)，其生物力學性質(zhì)研究較少，導(dǎo)致對其力學性質(zhì)認識不足。近年來單分子測量技術(shù)的進步，使人們有機會深入了解極小尺度下DNA的力學行為。用理論模型深度解讀這些精確的實驗數(shù)據(jù)，將大大增加對DNA力學性質(zhì)的認識并為相關(guān)的生物醫(yī)學應(yīng)用提供指導(dǎo)。解析這些高精度的單分子測量結(jié)果，需要與之相匹配的精確的理論模型。本文關(guān)注單/雙鏈

2、DNA對應(yīng)多種情形，包括稀溶液、鹽溶液、張力作用下的力學行為，用多種精確的理論模型并輔以部分實驗解析了近年來的一些高精度的單分子測量結(jié)果，解決了現(xiàn)有DNA動力學與彈性性質(zhì)研究中存在的的一些問題。主要工作包括:
　?。?）研究人員報道稀溶液中雙鏈DNA出現(xiàn)反常的亞Zimm動力學現(xiàn)象。為解釋這一反?，F(xiàn)象，分別用珠簧鏈模型與平均場高斯鏈模型深入分析實驗數(shù)據(jù)。珠簧鏈計算結(jié)果表明，雙鏈DNA的動力學性質(zhì)介于Rouse模型與Zimm模型之間。

3、平均場高斯鏈模型能夠覆蓋全松弛模態(tài)，計算精度很高，不需要參數(shù)擬合即能準確預(yù)測雙鏈DNA單體尺度上的動力學數(shù)據(jù)。平均場高斯鏈模型計算結(jié)果進一步指出，雙鏈DNA中間尺度的亞Zimm冪數(shù)律是“自然”出現(xiàn)的。雙鏈DNA在溶液中的隨機動力學能夠促進蛋白質(zhì)沿隨機卷曲DNA鏈的搜索，即1D/3D促進擴散現(xiàn)象。計算結(jié)果顯示蛋白質(zhì)在小于20 nm的較小尺度下以1D擴散為主，而超過該尺度后，又以3D擴散為主。
　?。?）由大尺度動力學測量數(shù)據(jù)得到的單

4、鏈 DNA彈性性質(zhì)存在精度不足的問題。針對這一問題，用平均場高斯鏈模型精確預(yù)測單鏈DNA的單體動力學實驗結(jié)果，并計算其精確的彈性性質(zhì)。平均場高斯鏈模型能夠覆蓋全松弛模態(tài)，用該模型解析單體動力學數(shù)據(jù)得到的持續(xù)長度精度也會非常高，精度大大超過傳統(tǒng)的大尺度散射數(shù)據(jù)解析結(jié)果。用Monte Carlo算法做優(yōu)化計算，得到單鏈DNA的持續(xù)長度與單個堿基長度分別為2.223 nm與0.676 nm。計算得到的單鏈DNA的Flory特征比要遠大于經(jīng)典的

5、合成高分子如聚苯乙烯、聚乙烯，表明單鏈DNA的膨脹程度要比一般合成高分子大得多。同時用粒子追蹤方法與數(shù)字圖像處理方法考察單鏈DNA粘彈性性質(zhì)隨序列變化，實驗結(jié)果表明單鏈DNA表征彈性性質(zhì)的儲存模量在全頻率區(qū)間隨序列的不同而不同，但表征粘性性質(zhì)的耗損模量只在高頻率時隨序列發(fā)生變化。
　?。?）研究人員對單鏈 DNA的研究中靜電相互作用的尺度模糊問題，導(dǎo)致對固有持續(xù)長度所代表的非靜電彈性性質(zhì)認識不清。為解決這一問題，用尺度分離理想鏈模

6、型考察單鏈 DNA彈性性質(zhì)受受靜電相互作用的影響，并精確計算單鏈DNA的固有持續(xù)長度非靜電彈性性質(zhì)。該模型將單鏈 DNA鏈上單體間靜電相互作用嚴格區(qū)分為近端與遠端相互作用，其中近端相互作用貢獻單鏈DNA的彎曲剛度，遠端相互作用貢獻單鏈DNA的膨脹效應(yīng)。用Monte Carlo優(yōu)化計算得到的單鏈DNA固有持續(xù)長度為0.44-0.48 nm，這一數(shù)據(jù)遠遠超過之前報道過的數(shù)據(jù)，表明單鏈DNA的非靜電彈性部分對其參與的生物力學行為有相當貢獻。計

7、算結(jié)果顯示，單鏈DNA固有持續(xù)長度對其參與的一些常見的生物力學參數(shù)如彎曲能、最長松弛時間、特性粘度的貢獻度很顯著，在鹽濃度較高時甚至會超過50％。
　?。?）描述單/雙鏈DNA力-伸長曲線的模型存在不匹配的問題。為解決該問題，用統(tǒng)一理想鏈模型考察單/雙鏈DNA在張力作用下的變形，評價張力作用下DNA鏈彈性性質(zhì)由蠕蟲狀鏈變?yōu)樽杂蛇B接鏈的跨越力。該模型能覆蓋蠕蟲狀鏈與自由連接鏈所對應(yīng)的全受力區(qū)間。用統(tǒng)一理想鏈模型分析報道的單/雙鏈DN