张力作用下DNA的柔化行为研究

In the physiological environment, DNA has bear considerable tension.When applied tension reaches a certain threshold, the mechanical properties of DNA change amazingly. The phenomenon is known as "softening". Softening phenomenon exhibits great influence on DNA involved biological events. However, investigators have not obtained a clear knowledge of the phenomenon of single/double-stranded DNA. The recognition of softening force and the underlying mechanism is lacked. There are mainly two reasons: the lack of accurate data of stiffness, and mismatching problem of force regime between theoretical models describing force-extension relation of both polymers. This study will take advantage of full-mode mean field Gaussian model to encode high-precison dynamical data of single/double-stranded DNA, and in doing so to obtain accurate stiffness. Conventional force-extension models of single/double-stranded DNA cannot be used to depict softening behaviour due to the mismatching problem of force regime. A unified ideal chain model of full force regime would be used to deal with this problem. On the basis of accurate stiffness data and unified ideal chain model, the softening force and the underlying mechanism are investigated. Finally, stretching experiment of atomic force microscope and Brownian dynamics simulation are used to confirm the results. This study will promote the understanding of DNA softening behaviour to a certain extent, and provide guidance for the related biomedical applications.

生理环境下DNA受到显著的张力作用。当施加的张力达到一定的阈值，DNA的力学性质会发生奇特的变化，这种现象被称作“柔化”。张力作用下的柔化现象对DNA参与的生物学事件有着重要影响。但目前研究人员对DNA柔化行为研究得还不够清楚，对柔化力及柔化机理认识不足。其中原因主要有两点：现有关于单/双链DNA的刚度数据精度不足，以及这两种高分子链力-伸长模型受力区间不匹配。本研究拟用全模态平均场高斯链模型解析单/双链DNA单体尺度的动力学数据，得到精确的刚度数据。单/双链DNA传统的力-伸长模型因受力区间不匹配而无法描述柔化行为，本研究拟用全力区间统一理想链模型解决这一问题。借助精确的刚度数据与统一理想链模型，考察DNA的柔化力阈值，并深入分析柔化行为背后的机理。最后用原子力显微镜拉伸实验、布朗动力学模拟进行验证。本研究将在一定程度上帮助推进对DNA柔化行为的理解，并为相关的生物医学应用提供指导。

项目背景.张力作用下的柔化现象对DNA参与的生物学事件有着重要影响。但目前研究人员对DNA柔化行为研究得还不够清楚，对柔化力及柔化机理认识不足。其中原因包括现有关于单/双链DNA的刚度数据精度不足，以及这两种高分子链力-伸长模型受力区间不匹配。..主要研究内容.（1）全模态平均场高斯链模型的建立。平均场高斯链模型就能够覆盖高分子动力学全松弛模态。用全模态平均场高斯链模型去解释单体尺度的动力学数据，将能够得到精确的刚度数据。（2）建立全力区间统一理想链模型。在经典高分子链力-伸长模型基础上，发展出全力区间统一理想链模型。这类模型将能精确地预测单/双链DNA的柔化力。（3）计算单/双链DNA精确的柔化力。结合自相关分析方法，能够获得单/双链DNA精确的柔化力以及柔化过程中弹性能的变化。（4）理论分析与数值模拟验证。用理论分析与数值模拟分析对应尺度单/双链DNA的柔化现象，验证前述理论计算的准确性。..重要结果及关键数据：.（1）已成功建立全模态、基于单体尺度测量数据的精确理论模型，并计算得出单/双链DNA的持续长度分别为50 nm与2.223 nm。（2）成功建立覆盖全力区间并能同时描述单/双链DNA柔化行为的统一理想链模型，并描述高分子链由刚度的跨越过程。（3）本研究建立的统一理想链模型模型能方便地预测单链/双链DNA 弹性性质发生跨越的力阈值，单/双链DNA的跨越力为84.3/5631.85 pN。..科学意义.研究成果在其相关的生物医学应用如分子生物学实验、力学拉伸、外源DNA进入细胞、单分子测序有潜在的价值。例蛋白质与DNA间的结合能须大于其弯曲能与所做的功，这就会相关的分子生物学实验例如EcoRV对DNA的作用提供了一定借鉴。而平均场高斯链模型精确算出的单/双链DNA松弛时间，为力学拉伸实验提供了参考。可以根据噬菌体中DNA链的弯曲程度判断噬菌体中储存的能量，从而判断噬菌体的攻击性。而计算得到的单/双链DNA的弹性性质可直接用于构建DNA纳米技术应用如最新的单分子纳米孔测序系统。