可编程DNA纳米结构力学

生物学家实验证明通过直接编写DNA碱基序列，可以得到形状可控的DNA纳米结构。这种自下而上的自组装建造方法首次实现了数字化设计制造复杂形状的纳米结构、并可能组装更大尺度结构。目前，涉及DNA纳米结构设计制造的一系列关键力学问题在国内外尚未开展研究。本课题将借鉴现有单根DNA的研究成果，采用原子模拟、粗颗粒数值模型和理论模型并辅以实验验证，通过设计碱基对序列，调控DNA力学特性，优化DNA纳米结构自组装过程，阐明DNA纳米结构的力学设计原理,为DNA纳米技术的工程化提供理论依据。

本课题通过Gromacs分子动力学软件和粗粒化模型模拟研究了单根DNA双链以及DNA纳米结构的力学特性。我们提出了基于空间曲线的微分几何构造方法，构建了碱基序列可任意设计的DNA双链以及复杂DNA纳米结构。通过Gromacs分子动力学软件模拟验证了上述几何构造的DNA结构在室温、含水分子和Na+ 离子真实环境下参数下的结构稳定性，并考察了碱基序列对单根DNA双链的拉伸和断裂性能的影响。我们发现DNA双链拉伸性能的尺寸效应，并通过自旋相变理论中的双势阱机制给出了本质的解释。DNA纳米结构虽然种类繁多，但均包含一个共同的关键部件，即Holliday节点。我们几何构建了任意碱基序列的Holliday节点，通过Gromacs分子动力学软件模拟了该关键节点在拉力、扭转等外力作用下的变形和断裂破坏性能。采用现有文献中的DNA粗粒化模型分析DNA单链组装为双链和DNA纳米结构的过程。注意到现有粗粒化模型无法模拟DNA组装过程，因此我们自行建立了一个粗粒化曾度更高的模型，试图模拟DNA分子自组装和DNA纳米结构力学特性。