مطالعه رفتار نانومکانیکی مولکول dna تحت اثر بارهای کششی

عملکردهای مهم زیستی مولکول dna، همچون فشرده سازی، نسخه برداری و تکثیر، تحت تأثیر خواص مکانیکی آن است. خواص مکانیکی dna همچنین در طراحی نانو بلوک های ساختمانی سازه های مولکولی، آزمایش های دست کاری تک مولکول ها و حسگرها و عملگرهای قابل-برنامه ریزی نقش مهمی دارد. یک راه ساده برای بدست آوردن پارامترهای تعیین کننده رفتار مکانیکی dna کشش مولکول های منفرد dna و اندازه گیری تغییرات نیرو برحسب طول موثر مولکول است. در این پژوهش، رهیافت دینامیک مولکولی با دقت اتمی برای کاوش ساختار، پایداری، مکانیزم های گسیختگی و خواص مکانیکی مولکول دورشته ای dna تحت اثر نیروهای کششی به خدمت گرفته شده است. تمرکز مطالعات بر دورشته ای های طول کوتاه بوده است، با این وجود، رفتار کششی مولکول های با طول متوسط نیز مورد بررسی قرار گرفته است. اثرات توالی، سرعت و جهت کشش به صورت مفصل مطالعه شده است. به منظور کشف منشأ رفتارهای متفاوت dna تحت شرایط مختلف کشش، تحلیل های گسترده روی اندرکنش های پیوندهای جفت سازی و پشته سازی بازها انجام شده است. سه نوع مختلف شبیه سازی، شامل محیط حلال ضمنی، محیط حلال صریح و دینامیک مولکولی هدایت شده، اجرا شد. مدل های مختلف حلال ضمنی مورد آزمایش قرار گرفت و یک مدل ترکیبی حلال بُرن تعمیم یافته - مساحت سطح قابل دسترس و دینامیک لانگوینی برای فرآیند کشش dna پیشنهاد شد. مدل ارائه شده ما را قادر ساخت بخشی از اختلاف موجود بین نتایج شبیه سازی ها و نتایج آزمایشگاهی را جبران نموده و نتایجی از نظر کمی نزدیک تر به آزمایش های تجربی به دست آید. نتایج شبیه سازی آشکار کرد که کشش برشی مولکول های دورشته ای dna می تواند، با شکستن همزمان بعضی از پیوندهای هیدروژنی و پشته سازی های برون رشته ای بازها، باعث بروز پدیده کرنش نرمی بعد از نقطه تسلیم گردد. رفتار مکانیکی وابسته به جهت dna بر اثر تغییر توالی dna تغییر می کند. نتایج همچنین نشان می دهد که نیروی نهایی و ضریب تانژانت، در مقایسه با نیروی تسلیم و ضریب کشسانی، به تغییرات توالی بسیار حساس تر هستند. هرچه سرعت کشش کم تر باشد، بی نظمی بیشتری در ساختار dna کشیده شده، و به ویژه در ساختارهای فوق کشیده شده، منتشر می شود. تأثیر مقادیر گام زمانی، شعاع برش، بسامد ضربه، سفتی فنر مجازی و ابعاد جعبه حلال بر نتایج شبیه سازی های کشش مورد تحلیل قرار گرفت. تغییرات بسامد ضربه از مقادیر کوچک به مقادیر بزرگ، تحت سرعت های کشش بالا، می تواند منجر به رفتارهای کششی کاملاً متفاوتی در dna گردد. چنان چه فنرهای مجازی بسیار نرم مورد استفاده قرار گیرد، اطلاعات نامطمئنی در مورد رفتار dna از شبیه سازی های کشش به دست می آید. روش مرسوم دینامیک مولکولی هدایت -شده به وسیله اضافه کردن یک اتم مصنوعی به مدل تصحیح شد، و به منظور روشن کردن برخی از ابهامات موجود در دقت و صحت نتایج آزمایش های میکروسکوپ نیروی اتمی و کشف رفتار مکانیکی dna تحت فرآیند کشش زاویه دار، شبیه ساز های دینامیک مولکولی روی دوازده پاره ای های dna انجام شد. آزمایش های میکروسکوپ نیروی اتمی به طورکلی مقادیر کوچک تری برای نیروی کششی dna پیش بینی می-کنند. کشش dna دورشته ای تحت زاویه های مختلف پاسخ های مکانیکی متنوع و تغییر ساختارهای غیرمعمولی تولید می نماید. اثر توأمان سرعت و زاویه کشش به طور قابل ملاحظه ای پیش بینی رفتار مکانیکی را پیچیده می کند. با این وجود، اگر کشش در زاویه های کوچک تر از 30 درجه شروع شود، خطای ایجاد شده برای پیش بینی نیروی نهایی dna قابل ملاحظه نخواهد بود. ایده شبیه سازی کشش مرحله ای نیز مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج نشان داد که ایده مذکور می تواند، با احتیاط، به جای روش مرسوم تک مرحله ای برای مدل های دینامیک مولکولی شامل یک جعبه آب نسبتاً بزرگ مورد استفاده قرار گیرد.