机械设计及自动化微纳尺度下DNA复合体系构象的多尺度模拟

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1、中文摘要本文采用计算机模拟方法对DNA分子在不同条件下的构象行为进行了深入研究。采用布朗分子动力学研究了在盐离子溶液中DNA所出现的缩聚现象。通过在布朗动力学模型中引入标准平均场Poisson-Boltzman斥力的作用，我们将最终通过在圆柱体构象屮第二维里系数计算得到有效半径值同以往的实验结果相比较。模拟结果证实在一定的离子浓度下，超螺旋DNA将会呈现出两条相对片段相缠绕的塌陷行为。然而，在和同的物理条件下，没有考虑扭矩作用的DNA分子没有出现塌陷行为。在这一部分研究的基础上，本文采用多尺度耦合方法模拟单

2、个DNA分子与组蛋白之间的相互作用，证实了组蛋白尺寸以及表面电荷分布对DNA的构象由较大影响。在此基础上通过运用蒙特卡洛计算机模拟方法研究了DNA在受限条件下的构彖行为。整个模拟过程采用了两种构象不同的DM模型。分别是闭合环形结构和超螺旋线性结构。首先,借助蒙特卡洛模拟方法我们研究了当DNA被束缚在碳纳米管中时其构象自由度如何在外界作用下发生改变从而导致最终螺旋构象出现变化。模拟结果很好地解释了蠕虫链模型中岀现的结构变化与能量值Z间的关系，包括硬阱深，带屯量，弹性以及变形懦的影响。随后通过改进该模型模拟了单

3、个超螺旋DNA分子在密集溶液中的构象行为：限制在纳米管道中的超螺旋DNA即被视作处于密度较高的环境下。通过模拟计算而得到的构象因子被用来与通过小角度屮子散射实验在零平均对比度的条件下所获得的构彖因数相比较。比较结果证实双螺旋DNA中的相较二连体距离同静电作用和分子间相互作用相关。采用协作模型我们进一步研究了线性DNA链在位于偏离区域和斑点区域间的过度范围中的构象行为。在该区域中，受限条件下的分子链并没有呈现出完整的偏离构彖或是连续的斑点构象。由于热力学振荡的作用沿着分子链方向出现U形结构。含有两个变量参数的

4、协作模型被用来描述S-环形构象中U形构象的形成过程以及它沿着链方向逐渐增加的原因。随后我们将协作模型同蒙特卡洛模拟相比较从而弄清楚线性DNA分子发生构彖过度的原因最后运用全原子建模方法研究了DNA在液态溶液中发生在单壁碳纳米管表面的吸附作用。模拟系统中包括含有12对碱基对(Dickersondodecamer)的DNA分子和一个(&8)单壁碳纳米管以及水溶液，同时还有为了保证系统整体呈现电中性而存在的反离子。模拟证实在数百皮秒内DNA将同不带电或带正电的单壁碳纳米管表现发生键和作用。DNA分子屮的疏水性官能

5、团同水水的单壁碳纳米管表面或不带电单壁碳纳米管之间相互吸引，尽管DNA中呈亲水性的主链并不同不带电的单壁碳纳米管发牛键和作用。DNA同单壁碳纳米管间的成键模式不同于其同不带电碳纳米管间相键和的模式。DNA主链中的磷脂部分同带正电的单壁碳纳米管相互吸引。并没有明显证据显示在较短模拟时间范圉内会出现共价双螺旋DNA会缠绕在带电或不带电的单壁碳纳米管上。吸附过程对DNA分子内部堆叠结构几乎没有任何影响，但却极大程度地能影响A-DNA间的A-B构象转换。发生在不带电单壁碳纳米管上A-DXA的吸附行为使得在模拟时间范

6、围内并没有出现从A-DNA到B-DNA的完全弛豫现彖。相反的是，键和在带正电的单壁碳纳米管上的A-DNA对A-B之间的构象转变并没有明显影响。关键词：DNA,分子模拟，全原子，多尺度，微流道，纳米颗粒ABSTRACTNaturalcellsaresurroundedbyanenclosingmembranewhichseparatesthecontentsofacellfromtheoutsideenvironment.Themembranemustbepermeableinordertotakeupnut

7、rientsfromthesurroundings.Weknowthatonlysmallnonpolarmoleculecanpassthroughthemembranefreelyduetothehydrophobicnatureofthefattyacidtailsofphospholipidsthatmakeupthelipidbilayers.Howtofacilitatethediffusionofionsandpolarmoleculesacrossbiologicalmembranes?Th

8、isisimplementedbyionchannelsembeddedwithinmembranes.Theionchannelsareafamilyofbiologicalmembraneproteinswhichallowpolarmoleculesandchargedionssuchasspecificions,waterandothersolutestopassivelytransportdownthe