基于RecA蛋白质诱导的DNA自组装的研究

DNA self-assembly has become an very active field in DNA computation. The scientist have proposed various method to construct complex patterns, such as triangle, rectangle etc.These complex configurations can be used to intervene cellular process, to construct eletronic curcuit,and even to solve hard problems. In this proposal, we intend to explore the mechanism of self-assembly,and we will develop a new fold structure induced by proteins. These strategy will lead to more complex configuration and can be used to solve NP-hard problems. It mainly consist of three topics: (1)the study ofthe encoding method based on template framework for self-assembly. (2)the study of competing self-assembly induced by RecA protein. (3)the problems of DNA/nanoparticles self-assembly. Through this project research, it enable us to further deepen the conformation of DNA molecular self-assembly and the mechanism of its formation.

DNA自组装技术是近年来分子生物计算领域的一个新的热点问题，人们已经提出各种方法，组装出各种形状的复杂大分子结构。这些分子结构可以用于细胞过程的干预，作为导体制作电路，而且还能用于实现各种数学计算，解决困难的数学问题。本项目拟进一步探讨自组装过程的形成机制，提出一种基于蛋白质诱导的分布折叠方法。探索形成更加复杂的多层次复杂立体生物分子结构，为图与组合优化问题的解决寻找新的高效算法。研究的主要内容包括：（1）基于模板框的自组装编码方法的研究；（2）基于RecA蛋白诱导的具有竞争机制的自组装体系的研究；(3)DNA自组装的掺杂问题的研究。通过本项目的研究，使我们加深对DNA分子自组装的构象及其形成机制的了解。

采用粗粒化分子动力学（CGMD）仿真方法研究溶液中双螺旋DNA链在均匀带正电的纳米球表面的缠绕和解缠绕行为。当将一、二和三价阴离子分别添加到DNA纳米球的复合物溶液中，发现由于双链DNA与纳米球之间始终有强烈的静电吸引，DNA链始终缠绕在纳米球表面。而当四价阴离子被添加到DNA纳米球复合物溶液中时，由于大量四价阴离子加入到溶液中，高负离子浓度引起了局部电荷反转，从而削弱了DNA链与纳米球之间的静电吸引，DNA链可以从纳米球表面脱离，导致了解缠绕行为的发生。采用耗散粒子动力学(DPD)方法模拟了coil-rod-coil刚柔嵌段共聚物在稀溶液环境下的自组装，尤其在棒选择性溶剂下，观察到了典型的囊泡(vesicle)相结构以及其动力学行为过程，同时还发现囊泡相只存在于一定高分子浓度范围内，囊泡尺寸随着聚合物浓度的增大而增大，但泡膜厚度基本保持不变。同时，柔性链嵌段与溶剂间的排斥作用也间接地影响了囊泡的尺寸。采用耗散粒子动力学(DPD)模拟方法研究了rod-coil刚柔嵌段共聚物与均聚物共混体系的液晶自组装行为。当掺入均聚物coil或rod时，诱导体系发生了无序-有序，有序-液晶等一系列构型转变。在rod-coil/coil共混体系中，均聚物coil的溶解能力随着链长的增长而减弱。当掺入的均聚物coil超过一定浓度时，多余的均聚物coil被排斥并分布在链嵌段（coil block）的中心相区；在rod-coil/rod共混体系中，均聚物rod平行插入棒嵌段（rod block），诱导体系形成了双层液晶层状结构，其中为了获得更大的界面积，棒相区周期保持不变而链相区周期反而变小。这说明了向rod-coil中掺入均聚物可以诱导体系形成液晶层状相，同时还可以控制相区空间大小。运用自洽场理论（SCFT）方法及计算机编程分析求解了嵌段共聚物自组装过程中体系的自由能变化，分别研究在了其在二维情况下自组装过程中在中性纳米孔受限下孔尺寸大小对相图结构的影响以及三维情况下自组装过程中无吸附势、不同半径球型受限下的相结构和不同吸附表面、吸附强度的球型受限下对相图结构的影响。资助期间，发表论文Soft Matter 2篇，Polymer 1篇，Chinese Journal of Chemical Physics 1篇，还有1篇正在投稿。