力诱导的DNA双链断裂：从基本原理到力传感器,ACS Nano

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力诱导的DNA双链断裂：从基本原理到力传感器
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2015-11-30 00:00:00 , DOI: 10.1021/acsnano.5b04726
Majid Mosayebi _{1,

2} , Ard A. Louis ₃ , Jonathan P. K. Doye ₁ , Thomas E. Ouldridge _{3,

4}

Affiliation

在压力下双链DNA的断裂是生物物理学和纳米技术中的关键过程。在本文中，我们考虑了短DNA双链体的剪切诱导断裂，该系统已被最近设计的力传感器和纳米技术设备赋予了新的重要性。我们认为，断裂必须理解为一个激活的过程，在该过程中，双工状态是亚稳态的，而钢绞线将在有限的时间内分离，这取决于双工的长度和所施加的力。因此，断裂双相体所需的临界剪切力在很大程度上取决于观察的时间尺度。我们使用简单的DNA模型显示该方法自然地捕获了观察到的在给定时间内断裂双链体所需的力对双链体长度的依赖性。特别是，对于最短的双工，此临界力为零，然后急剧上升，然后在长限度内达到平稳。基于识别双链体中每一个额外碱基对的存在何时在热力学上不利而不是允许亚稳态的主流方法，无法预测时间尺度相关的临界力，并且自然不会将零的临界力包含在热力学上。最短的双工。我们证明，我们的发现对新型力感测纳米器件的行为具有重要影响，该器件以混合模式运行，在剪切和拉开之间进行插值。在固定的时标和双工长度下，临界力对双工受剪切作用的分数表现出S形依存性。基于识别双链体中每个其他碱基对的存在何时在热力学上不利而不是允许亚稳定性，它无法预测时间尺度相关的临界力，并且自然不会为最短的双链体并入零临界力。我们证明，我们的发现对新型力感测纳米器件的行为具有重要影响，该器件以混合模式运行，在剪切和拉开之间进行插值。在固定的时标和双工长度下，临界力对双工受剪切作用的分数表现出S形依存性。基于识别双链体中每个附加碱基对的存在何时在热力学上不利而不是允许亚稳定，它不能预测时间尺度相关的临界力，并且对于最短的双链体自然不包括零临界力。我们证明我们的发现对新型力感测纳米器件的行为具有重要影响，该器件以混合模式工作，插值在剪切和拉开之间。在固定的时标和双工长度下，临界力对双工受剪切作用的分数表现出S形依存性。不能预测与时间尺度有关的临界力，对于自然时间最短的双链体，自然不会包括零的临界力。我们证明，我们的发现对新型力感测纳米器件的行为具有重要影响，该器件以混合模式运行，在剪切和拉开之间进行插值。在固定的时标和双工长度下，临界力对双工受剪切作用的分数表现出S形依存性。不能预测与时间尺度有关的临界力，对于自然时间最短的双链体，自然不会包括零的临界力。我们证明，我们的发现对新型力感测纳米器件的行为具有重要影响，该器件以混合模式运行，在剪切和拉开之间进行插值。在固定的时标和双工长度下，临界力对双工受剪切作用的分数表现出S形依存性。

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Force-Induced Rupture of a DNA Duplex: From Fundamentals to Force Sensors

The rupture of double-stranded DNA under stress is a key process in biophysics and nanotechnology. In this article, we consider the shear-induced rupture of short DNA duplexes, a system that has been given new importance by recently designed force sensors and nanotechnological devices. We argue that rupture must be understood as an activated process, where the duplex state is metastable and the strands will separate in a finite time that depends on the duplex length and the force applied. Thus, the critical shearing force required to rupture a duplex depends strongly on the time scale of observation. We use simple models of DNA to show that this approach naturally captures the observed dependence of the force required to rupture a duplex within a given time on duplex length. In particular, this critical force is zero for the shortest duplexes, before rising sharply and then plateauing in the long length limit. The prevailing approach, based on identifying when the presence of each additional base pair within the duplex is thermodynamically unfavorable rather than allowing for metastability, does not predict a time-scale-dependent critical force and does not naturally incorporate a critical force of zero for the shortest duplexes. We demonstrate that our findings have important consequences for the behavior of a new force-sensing nanodevice, which operates in a mixed mode that interpolates between shearing and unzipping. At a fixed time scale and duplex length, the critical force exhibits a sigmoidal dependence on the fraction of the duplex that is subject to shearing.

更新日期：2015-11-30

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