En enkel mekanisk modell för att effektivt implementera den välkända dubbelsträngade strukturen och elasticiteten hos DNA på en nanometerskala har utvecklats av Jae-Hyung Jeon och Wokyung Sung vid Pohang University of Science and Technology i Republiken Korea, i ett försök att mer omfattande utforska det nukleinsyrainnehållande genetiska materialet i celler. Modellen publicerades i Springer's Journal of Biological Physics .
Ända sedan Watson och Crick först beskrev DNA:s grundstruktur 1953, ett antal kvantkemiska beräkningar för att beskriva det i atomistisk skala eller på liten molekylnivå har utvecklats. Än så länge, dock, dessa har visat sig vara alltför beräkningskrävande eller analytiskt omöjliga för att på ett adekvat sätt beskriva DNA-konformationen och mekaniken i nanoskala som undersökts av moderna experiment med en enda molekyl. På mikronskala, å andra sidan, den maskliknande kedjemodellen har varit avgörande för att analytiskt beskriva DNA-mekanik och elasticitet. Det saknar dock vissa molekylära detaljer som är väsentliga för att beskriva hybridiseringen, nanoskala inneslutning, och lokal denaturering eller strukturella förändringar i DNA orsakade av extrema förhållanden.
För att fylla denna grundläggande lucka, de koreanska forskarna började utveckla en fungerande och prediktiv mesoskopisk modell av dubbelsträngat DNA, där nukleotidpärlorna utgör de grundläggande frihetsgraderna.
Med hjälp av modellen, de koreanska forskarna studerade hur en DNA-duplex självmonteras i helixstrukturen på grund av staplingsinteraktionen som modelleras av interaktion mellan diagonalt motsatta baser, och även hur helixen deformeras mot sträckkraften i jämförelse med relaterade experiment med enstaka molekyler. De fann att en översträckande övergång med kraftplatån, som visas i typiska kraftförlängningsexperiment, kan induceras av samexistensen av helix- och stegstrukturer vid en kritisk kraft nära experimentvärdet. Denna platå uppstår på grund av övergången mellan det spiralformade tillståndet och det stegliknande tillståndet av DNA.
Forskarduon visade också analytiskt hur en maskliknande kedjeliknande elastisk modell, används ofta inom DNA-mekanik, kan härledas genom att använda deras nya modell. Den används för att förklara böjnings- och vridstyvheten i termer av grundläggande interaktioner i deras modell och DNA-geometriska konstanter, i rimlig överensstämmelse med motsvarande experimentella värden.
"Denna grundmodell och dess förlängning, används tillsammans med ytterligare analytiska beräkningar och numeriska simuleringar, ger nya möjligheter att studera en mängd olika DNA-fenomen från nano- till mikronlängdsskalor, " skriver Jeon och Sung. "Det kan, till exempel, användas för att studera effekterna av sekvensheterogenitet, joniska lösningar, och vridningsbegränsningar på mekanik och, vidare, olika fenomen såsom lokal DNA-denaturering och protein-DNA-interaktion."
