软物质的一个基本特征是它对外界环境刺激的显著响应。双链核酸分子(dsDNA和dsRNA)是一类重要的软物质分子，在生命活动过程中扮演了重要的角色，其双螺旋结构和力学性能易受到外界环境的影响。近期，浦京集团官网李士本教授课题组在美国物理学会期刊《The Journal of Chemical Physics》发表了双链DNA分子在拉伸力作用下的构象形变和力学性质的研究论文《Mechanical response of double-stranded DNA: Bend, twist, and overwind》，该论文第一作者为2023级硕士研究生牟轩慷，李士本教授为通讯作者。

图1.双链DNA分子在拉力作用下的构象表征和模拟运算

该研究使用全原子分子动力学模拟方法，深入探讨了双链DNA在弯曲、扭曲等过旋状态下的力学特性，分析了倾斜角、翻转角和扭转角在拉力作用下导致的弯曲和扭转的形变及其弹性变化。研究表明，翻转角和扭转角随着拉伸力的增大而线性增加，但其变化趋势完全相反；倾斜、翻转和扭转的弹性模量被认为保持恒定不变，但是在拉力作用下，翻转与扭转之间耦合效应会有所减弱，并且呈现出序列依赖性的特点，即围绕碱基对步骤呈现对称性。该文还从能量角度出发进一步研究了dsDNA的过旋路径及其形成机制。结果表明，倾斜、翻转和扭转角度之间存在显著的相关性，这预示着在dsDNA受到拉伸时，可能通过一种由扭转-翻转耦合作用驱动的路径来实现过旋状态，而在这一过程中熵的贡献占据主导地位。

图2. 双链DNA分子在拉伸过程中几个可能过旋路径

该项研究是课题组在双链核酸分子的构象和力学性质方面的连续工作之一。课题组已经探讨了温度对双链DNA的拉伸弹性和扭转弹性的影响，研究结果经过整理已发表论文， 2021级硕士研究生张雅宏为论文的第一作者 [J. Chem. Phys. 158, 094902 (2023)]。课题组还对双链DNA的弯曲、扭转以及弯曲-扭转耦合特性的温度依赖性进行了研究并发表论文[Phys. Chem. Chem. Phys. 26, 8077 (2024)]，2021级硕士研究生张子豪为为论文第一作者。上述研究均获得国家自然科学基金委员会项目的资助。

原文链接：

[1] X. Mou, K. Liu, L. He, and S. Li *, “Mechanical response of double-stranded DNA: Bend, twist, and overwind,” J. Chem. Phys. 161, 085102 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0216585

[2] Y. Zhang, L. He, and S. Li*, “Temperature dependence of DNA elasticity: An all-atom molecular dynamics simulation study,” J. Chem. Phys. 158, 094902 (2023). https://doi.org/10.1063/5.0138940

[3] Z. Zhang, X. Mou, Y. Zhang, L. He, and S. Li*, “Influence of temperature on bend, twist and twist–bend coupling of dsDNA,” Phys. Chem. Chem. Phys. 26, 8077–8088 (2024). https://doi.org/10.1039/D3CP04932A