С тех пор, как Уотсон и Крик впервые описали основную структуру ДНК в 1953 году, был разработан ряд квантово-химических расчетов для ее описания в атомистическом масштабе или на уровне малых молекул. Однако до сих пор они оказались слишком требовательными с вычислительной точки зрения или аналитически неосуществимыми, чтобы адекватно описать наноразмерную конформацию ДНК и механику, исследуемую современными экспериментами с одиночными молекулами. С другой стороны, в микронном масштабе модель червеобразной цепи сыграла важную роль в аналитическом описании механики и эластичности ДНК.
Однако в нем отсутствуют определенные молекулярные детали, которые необходимы для описания гибридизации, наноразмерного ограничения и локальной денатурации или структурных изменений в ДНК, вызванных экстремальными условиями.Чтобы восполнить этот фундаментальный пробел, корейские исследователи приступили к разработке работоспособной и предсказательной мезоскопической модели двухцепочечной ДНК, в которой нуклеотидные бусинки представляют собой основные степени свободы.Используя эту модель, корейские исследователи изучили, как дуплекс ДНК самособирается в структуру спирали из-за взаимодействия стэкинга, моделируемого взаимодействием между диагонально противоположными основаниями, а также как спираль деформируется против растягивающей силы по сравнению с соответствующими экспериментами с одной молекулой. . Они обнаружили, что переход перенапряжения с плато силы, как показано в типичных экспериментах по расширению силы, может быть вызван сосуществованием спиральных и лестничных структур при критической силе, близкой к экспериментальному значению. Это плато возникает из-за перехода между спиральным и лестничным состоянием ДНК.
Дуэт исследователей также аналитически продемонстрировал, как с помощью их новой модели может быть получена модель упругой червеобразной цепочки, часто используемая в механике ДНК. Он используется для объяснения жесткости на изгиб и скручивание с точки зрения основных взаимодействий в их модели и геометрических констант ДНК, в разумном согласии с соответствующими экспериментальными значениями.
«Эта базовая модель и ее расширение, используемые вместе с дальнейшими аналитическими расчетами и численным моделированием, предоставляют новые возможности для изучения множества единичных явлений ДНК от нано до микронных масштабов», — пишут Чон и Сун. «Его можно, например, использовать для изучения эффектов гетерогенности последовательностей, ионных растворов и торсионных ограничений на механику и, кроме того, различных явлений, таких как локальная денатурация ДНК и взаимодействие белок-ДНК».