Национальный исследовательский Томский государственный университет
Томск, Томская область, Россия
Пущино, г. Москва и Московская область, Россия
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.
кинки ДНК, плазмида pPF1, энергетический профиль, 2D траектория, торсионный момент
1. 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:https://doi.org/10.1038/srep11449.
2. Zdravkovic S., Satarić M.V., Daniel M. Kink solitons in DNA. International Journal of Modern Physics B., 2013, vol. 31, pp. 1350184.
3. 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.
4. Clark D., Pazdernik N. Biotechnology, 2nd Edition. Academic Cell, 2015.
5. Zuo Y., Steitz T.A. A structure-based kinetic model of transcription. Transcription, 2017, vol. 8, pp. 1-8, doi:https://doi.org/10.1080/21541264.2016.1234821.
6. 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:https://doi.org/10.1038/nature17970.
7. Bailey L.J., Doherty A.J. Mitochondrial DNA replication: a PrimPol perspective. Biochem Soc Trans, 2017, vol. 45, pp. 513-529, doi:https://doi.org/10.1042/BST20160162.
8. Bleichert F., Botchan M.R., Berger J.M. Mechanisms for initiating cellular DNA replication. Science, 2017, vol. 355, pp. 215-222, doi:https://doi.org/10.1126/science.aah6317.
9. 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:https://doi.org/10.1063/1.4905668.
10. 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:https://doi.org/10.1039/C6CC05906F.
11. Singh A.R., Granek R. Manipulation of double-stranded DNA melting by force. Phys. Rev. E, 2017, vol. 96, pp. 032417-032422, doi:https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.032417.
12. 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:https://doi.org/10.1088/1742-6596/856/1/011001.
13. Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. Double energy profile of pBR322 plasmid. AIMS Biophysics, 2021, vol. 8, no. 2, pp. 221-232, doi:https://doi.org/10.3934/biophy.2021016.
14. 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:https://doi.org/10.1007/s12551-021-00801-0.
15. 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.
16. McLaughlin D.W., Scott A.C. Perturbation analysis of fluxon dynamics. Phys Rev A, 1978, vol. 18, pp. 1652, doi:https://doi.org/10.1103/PhysRevA.18.1652.
17. 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.
18. 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.
