Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54827 10.29039/rusjbpc.2022.0490 Моделирование в биофизике Modelling in biophycis Моделирование в биофизике FEATURES OF THE POTENTIAL FIELD STRUCTURE OF THE PPF1 PLASMID AND THEIR INFLUENCE ON THE CHARACTER OF MOTION OF NONLINEAR CONFORMATIONAL PERTURBATIONS – KINKS Особенности структуры потенциального поля плазмиды pPF1 и их влияние на характер движения нелинейных конформационных возмущений – кинков Краснобаева Л. А. Krasnobaeva L. A. kla1983@mail.ru Якушевич Л. В. Yakushevich L. V. kind-@mail.ru Сибирский государственный медицинский университет Томск Россия Siberian State Medical University Tomsk Russian Federation Национальный исследовательский Томский государственный университет Томск Россия National Research Tomsk State University Tomsk Russian Federation ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН» Пущино Россия PSCBR RAS Pushchino Russian Federation 25 03 2022 25 03 2022 7 1 99 104 20 03 2022 20 03 2022 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54827/view

В настоящей работе методы математического моделирования применяются для изучения особенностей динамики нелинейных конформационных возмущений – кинков в плазмиде pPF1. Движение кинков рассматривается как движение квазичастиц в потенциальном поле плазмиды. Поведение таких квазичастиц во многом определяются видом и характером этого поля. Для моделирования движения кинка вдоль плазмиды pPF1 использовалось уравнением МакЛафлина-Скотта. С помощью квазиоднородного приближения и блочного метода были рассчитаны энергетический профиль потенциального поля плазмиды pPF1 и построены 2D траектории движения кинков в области, расположенной между генами флуоресцентных белков Egfp и mCherry, при этом учитывались эффекты диссипации и воздействия постоянного торсионного поля. Показано, что существуют пороговые значения торсионного поля, ниже и выше которых поведение кинка существенно меняется: происходит переход от циклического движения кинка внутри области, расположенной между генами флуоресцентных белков Egfp и mCherry, к поступательному движению и выходу из этой области. Сделаны оценки пороговых значений. Показано, что они зависят от характера энергетического профиля вблизи области, расположенной между генами флуоресцентных белков Egfp и mCherry.

In this work, mathematical modeling methods are used to study the features of the dynamics of the nonlinear conformational perturbations, kinks, in the pPF1 plasmid. The motion of kinks is considered as the motion of quasiparticles in the potential field of the plasmid. The behavior of such quasiparticles is largely determined by the type and nature of this field. To simulate the movement of the kink along the pPF1 plasmid, the McLaughlin-Scott equation was used. Using the quasi-homogeneous approximation and the block method, the energy profile of the potential field of the pPF1 plasmid was calculated and 2D kink trajectories were constructed in the region located between the genes of the Egfp and mCherry fluorescent proteins, taking into account the effects of dissipation and exposure to a constant torsion field. It was shown that there are threshold values of the torsion field, below and above which the behavior of the kink changes significantly: there is a transition from the cyclic motion of the kink inside the region located between the genes of the fluorescent proteins Egfp and mCherry to the translational motion and exit from this region. Threshold values have been estimated. It was shown that they depend on the nature of the energy profile near the region located between the genes of the fluorescent proteins Egfp and mCherry.

 кинки ДНК плазмида pPF1 энергетический профиль 2D траектория торсионный момент DNA kinks plasmid pPF1 energy profile 2D trajectory torsion moment

Masulis I.S., Babaeva Z.Sh., Chernyshov S.V., Ozoline O.N. Visualizing the activity of Escherichia coli divergent promoters and probing their dependence on superhelical density using dual-colour fluorescent reporter vector. Scientific Reports, 2015, vol. 5, pp. 11449, doi: 10.1038/srep11449. Masulis I.S., Babaeva Z.Sh., Chernyshov S.V., Ozoline O.N. Visualizing the activity of Escherichia coli divergent promoters and probing their dependence on superhelical density using dual-colour fluorescent reporter vector. Scientific Reports, 2015, vol. 5, pp. 11449, doi: 10.1038/srep11449. Zdravkovic S., Satarić M.V., Daniel M. Kink solitons in DNA. International Journal of Modern Physics B., 2013, vol. 31, pp. 1350184. Zdravkovic S., Satarić M.V., Daniel M. Kink solitons in DNA. International Journal of Modern Physics B., 2013, vol. 31, pp. 1350184. Englander S.W., Kallenbach N.R., Heeger A.J., Krumhansl J.A., Litwin A. Nature of the open state in DNA structure. Proc. Natl. Acad. Sci., 1980, vol. 77, pp. 7222-7226. Englander S.W., Kallenbach N.R., Heeger A.J., Krumhansl J.A., Litwin A. Nature of the open state in DNA structure. Proc. Natl. Acad. Sci., 1980, vol. 77, pp. 7222-7226. Clark D., Pazdernik N. Biotechnology, 2nd Edition. Academic Cell, 2015. Clark D., Pazdernik N. Biotechnology, 2nd Edition. Academic Cell, 2015. Zuo Y., Steitz T.A. A structure-based kinetic model of transcription. Transcription, 2017, vol. 8, pp. 1-8, doi: 10.1080/21541264.2016.1234821. Zuo Y., Steitz T.A. A structure-based kinetic model of transcription. Transcription, 2017, vol. 8, pp. 1-8, doi: 10.1080/21541264.2016.1234821. He Y., Yan C., Fang J., Inouye C., Tjian R., Ivanov I., Nogales E. Near-atomic resolution visualization of human transcription promoter opening. Nature, 2016, vol. 533, pp. 359-365, doi: 10.1038/nature17970. He Y., Yan C., Fang J., Inouye C., Tjian R., Ivanov I., Nogales E. Near-atomic resolution visualization of human transcription promoter opening. Nature, 2016, vol. 533, pp. 359-365, doi: 10.1038/nature17970. Bailey L.J., Doherty A.J. Mitochondrial DNA replication: a PrimPol perspective. Biochem Soc Trans, 2017, vol. 45, pp. 513-529, doi: 10.1042/BST20160162. Bailey L.J., Doherty A.J. Mitochondrial DNA replication: a PrimPol perspective. Biochem Soc Trans, 2017, vol. 45, pp. 513-529, doi: 10.1042/BST20160162. Bleichert F., Botchan M.R., Berger J.M. Mechanisms for initiating cellular DNA replication. Science, 2017, vol. 355, pp. 215-222, doi: 10.1126/science.aah6317. Bleichert F., Botchan M.R., Berger J.M. Mechanisms for initiating cellular DNA replication. Science, 2017, vol. 355, pp. 215-222, doi: 10.1126/science.aah6317. Sicard F., Destainville N., Manghi M. DNA denaturation bubbles: Free-energy landscape and nucleation/closure rates. J. of Chemical Physics, 2015, vol. 142, pp. 903-910, doi: 10.1063/1.4905668. Sicard F., Destainville N., Manghi M. DNA denaturation bubbles: Free-energy landscape and nucleation/closure rates. J. of Chemical Physics, 2015, vol. 142, pp. 903-910, doi: 10.1063/1.4905668. Shi C., Shang F., Zhou M., Zhang P., Wang Y., Ma C. Triggered isothermal PCR by denaturation bubble-mediated strand exchange amplification. Chem. Commun., 2016, vol. 52, pp. 11551-11554, doi: 10.1039/C6CC05906F. Shi C., Shang F., Zhou M., Zhang P., Wang Y., Ma C. Triggered isothermal PCR by denaturation bubble-mediated strand exchange amplification. Chem. Commun., 2016, vol. 52, pp. 11551-11554, doi: 10.1039/C6CC05906F. Singh A.R., Granek R. Manipulation of double-stranded DNA melting by force. Phys. Rev. E, 2017, vol. 96, pp. 032417-032422, doi: 10.1103/PhysRevE.96.032417. Singh A.R., Granek R. Manipulation of double-stranded DNA melting by force. Phys. Rev. E, 2017, vol. 96, pp. 032417-032422, doi: 10.1103/PhysRevE.96.032417. Dwiputra D., Hidayat W., Zen F.P. Nonlinear dynamics of DNA bubble induced by site specific DNA-protein interaction. J. Phys.: Conf. Ser., 2017, vol. 856, pp. 012005-012009, doi: 10.1088/1742-6596/856/1/011001. Dwiputra D., Hidayat W., Zen F.P. Nonlinear dynamics of DNA bubble induced by site specific DNA-protein interaction. J. Phys.: Conf. Ser., 2017, vol. 856, pp. 012005-012009, doi: 10.1088/1742-6596/856/1/011001. Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. Double energy profile of pBR322 plasmid. AIMS Biophysics, 2021, vol. 8, no. 2, pp. 221-232, doi: 10.3934/biophy.2021016. Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. Double energy profile of pBR322 plasmid. AIMS Biophysics, 2021, vol. 8, no. 2, pp. 221-232, doi: 10.3934/biophy.2021016. Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. Ideas and methods of nonlinear mathematics and theoretical physics in DNA science: the McLaughlin-Scott equation and its application to study the DNA open state dynamics. Biophysical Reviews, 2021, pp. 1-24, doi: 10.1007/s12551-021-00801-0. Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. Ideas and methods of nonlinear mathematics and theoretical physics in DNA science: the McLaughlin-Scott equation and its application to study the DNA open state dynamics. Biophysical Reviews, 2021, pp. 1-24, doi: 10.1007/s12551-021-00801-0. Гриневич А.А., Масулис И.С., Якушевич Л.В. Математическое моделирование поведения транскрипционного пузыря в плазмиде pPF1 и ее модификациях. Связь между энергетическим профилем плазмиды и направлением транскрипции. Биофизика, 2021, т. 66, № 2, с. 248-258. Grinevich A.A., Masulis I.S., Yakushevich L.V. Mathematical modeling of transcription bubble behavior in the pPF1 plasmid and its modified versions: the link between the plasmid energy profile and the direction of transcription. Biophysics, 2021, vol. 66, no. 2, pp. 248-258, doi: 10.31857/S0006302921020058. (In Russ.) McLaughlin D.W., Scott A.C. Perturbation analysis of fluxon dynamics. Phys Rev A, 1978, vol. 18, pp. 1652, doi: 10.1103/PhysRevA.18.1652. McLaughlin D.W., Scott A.C. Perturbation analysis of fluxon dynamics. Phys Rev A, 1978, vol. 18, pp. 1652, doi: 10.1103/PhysRevA.18.1652. Краснобаева Л.А., Якушевич Л.В. Влияние диссипации и внешнего поля на динамику локальных конформационных возмущений в ДНК. Биофизика, 2007, т. 52, с. 237-243. Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. Effects of dissipation and external fields on the dynamics of conformational distortions in DNA. Biophysics, 2007, vol. 52, pp. 237-243. (In Russ.) Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. A new approach to studies of nonlinear dynamics of kinks activated in inhomogeneous polynucleotide chains. Int. J. Nonl. Mech., 2008, vol. 43, pp. 1074-1081, doi: 10.1016/ j.ijnonlinmec.2008.05.00.b0100. Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. A new approach to studies of nonlinear dynamics of kinks activated in inhomogeneous polynucleotide chains. Int. J. Nonl. Mech., 2008, vol. 43, pp. 1074-1081, doi: 10.1016/ j.ijnonlinmec.2008.05.00.b0100.