Modelowanie i symulacje komputerowe rozplatania polinukleotydów w nanoporach - Stachiewicz, Anna (My University, 2016)
W wielu procesach biologicznych, np. replikacji DNA, transkrypcji i interferencji RNA, jednym z kluczowych etapów jest rozplatanie polinukleotydów. Nanopory to wąskie (średnica rzędu 1-100 nm) kanały, powstałe w błonach biologicznych lub wytworzone w membranach syntetycznych. W nanoporowej spektroskopii sił (NFS) zmiana struktury analitu (np. rozplecenie spinki DNA) następuje jako efekt naprężeń mechanicznych pomiędzy obiema jego częściami po przyłożeniu napięcia. Zdarzenie takie rejestrowane jest w postaci skoku prądu jonowego. Przedmiotem mojej pracy doktorskiej było opracowanie modelu CG (uproszczonego) dla DNA/RNA, który mógłby zostać wykorzystany w symulacjach dynamiki molekularnej rozplatania w nanoporach oraz jego zastosowanie do badania kinetyki rozplatania. Walidacja opracowanego modelu wykazała znaczną zgodność zarówno z wynikami symulacji all-atom jak i danymi eksperymentalnymi. Model wykorzystano do zbadania kinetyki rozplatania spinki DNA w nanoporze nieorganicznym. Określono wartości napięcia rozplecenia w zależności od geometrii poru i przyłożonego napięcia, stwierdzono też, że podczas translokacji konieczne jest pokonanie dwóch barier energetycznych: związanej z rozplataniem i z dalszą translokacją. Model może zostać również wykorzystany do badania translokacji innych polinukleotydów, dla porów o różnej geometrii i ładunku na powierzchni ścianek.

In many biological processes, e.g. DNA replication, transcription and RNA interference, polynucleotide unzipping is one of the key steps. Nanopores are narrow (diameter about 1-100 nm) channels, formed in biological membranes or fabricated in synthetic ones. In nanopore force spectroscopy (NFS) the change in the analyte structure (e.g. hairpin DNA unzipping) is a result of mechanical tension between its two fragments, induced by applied voltage. Such event is registered as a drop in the ionic current. The subject of my dissertation was the development of a CG (simplified) model for DNA/RNA that can be used in the molecular dynamics nanopore unzipping simulations and its application for studying the kinetics of unzipping. The created model was shown to correctly reproduce both the experimental values and AA simulations. The model was used to examine the DNA unzipping kinetics in an inorganic nanopore. Unzipping voltages for different pore geometries and applied voltages were determined, additionally, it was found that two energetic barriers have to be crossed during translocation: related to unzipping and related to the further translocation. The model can be also used for studying translocation of other polynucleotides, for pores of various geometry and surface charge.
Modeling and computer simulations of polynucleotide unzipping in nanopores
Wydział Chemii
Keywords: DNA; nanopory; nanopores; kinetyka rozplatania; dynamika molekularna; unzipping kinetics; dynamika Browna; molecular dynamics; Brownian dynamics