DNA動(dòng)力學(xué)與彈性性質(zhì)研究.pdf

1、DNA的力學(xué)性質(zhì)在其參與的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組等生物學(xué)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(xué)性質(zhì)，其生物力學(xué)性質(zhì)研究較少，導(dǎo)致對其力學(xué)性質(zhì)認(rèn)識不足。近年來單分子測量技術(shù)的進(jìn)步，使人們有機(jī)會深入了解極小尺度下DNA的力學(xué)行為。用理論模型深度解讀這些精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將大大增加對DNA力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識并為相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)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(xué)行為，用多種精確的理論模型并輔以部分實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)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(bào)道稀溶液中雙鏈DNA出現(xiàn)反常的亞Zimm動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。為解釋這一反常現(xiàn)象，分別用珠簧鏈模型與平均場高斯鏈模型深入分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。珠簧鏈計(jì)算結(jié)果表明，雙鏈DNA的動(dòng)力學(xué)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(jì)算精度很高，不需要參數(shù)擬合即能準(zhǔn)確預(yù)測雙鏈DNA單體尺度上的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。平均場高斯鏈模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(jī)動(dòng)力學(xué)能夠促進(jìn)蛋白質(zhì)沿隨機(jī)卷曲DNA鏈的搜索，即1D/3D促進(jìn)擴(kuò)散現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果顯示蛋白質(zhì)在小于20 nm的較小尺度下以1D擴(kuò)散為主，而超過該尺度后，又以3D擴(kuò)散為主。
　?。?）由大尺度動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并計(jì)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(dòng)力學(xué)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(jì)算，得到單鏈DNA的持續(xù)長度與單個(gè)堿基長度分別為2.223 nm與0.676 nm。計(jì)算得到的單鏈DNA的Flory特征比要遠(yuǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(rèn)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(jì)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(yán)格區(qū)分為近端與遠(yuǎn)端相互作用，其中近端相互作用貢獻(xiàn)單鏈DNA的彎曲剛度，遠(yuǎn)端相互作用貢獻(xiàn)單鏈DNA的膨脹效應(yīng)。用Monte Carlo優(yōu)化計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過之前報(bào)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(xué)行為有相當(dāng)貢獻(xiàn)。計(jì)

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(xué)參數(shù)如彎曲能、最長松弛時(shí)間、特性粘度的貢獻(xiàn)度很顯著，在鹽濃度較高時(shí)甚至?xí)^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(jià)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(bào)道的單/雙鏈DN