CN112116948A - 一种特殊分支数的dna多面体的模拟分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，对DNA多面体的分支数进行统计并绘制相应的链环图，利用软件NanoEngineer‑1构建DNA多面体的全原子模型，利用软件NAMD对DNA多面体模型进行分子动力学模拟，利用软件Gromacs对模拟结果进行分析，可以用来判断特殊分支数DNA多面体的稳定性以及不同拓扑结构对DNA多面体性质的影响。本发明可以用来判断特殊分支数DNA多面体的稳定性，并为实验合成提供一定的理论支持。

Description

一种特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法

技术领域

本发明属于DNA多面体分析方法技术领域，具体涉及一种特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

1869年Miescher发现核酸。1944年Avery通过细菌的转化实验证明了DNA是重要的遗传物质。1953年Waston和Crick提出DNA的双螺旋结构模型，从此核酸相关的研究成了生命科学中最活跃的领域之一。1982年seeman提出用DNA作为一种结构材料来组装纳米尺寸的几何定义物体，现在被称为结构DNA纳米技术。在过去的30多年里，人们已经构建了各种各样的DNA纳米结构，例如四面体、立方体、八面体、十二面体、三角双锥体、二十面体、棱柱等。与此同时，随着计算机技术的发展，关于DNA纳米结构的理论模拟研究也在不断发展。

分子动力学(molecular dynamics,MD)模拟是一套结合物理、数学和化学的分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，通过体系中分子坐标的变化来计算分子之间的能量或者相互作用力。分子动力学模拟不仅可以研究生物大分子溶液体系在宏观上的行为，还可以直接研究单个生物大分子在原子尺度上的行为。利用分子动力学模拟研究生物大分子的行为，能够阐明生物大分子结构和功能的关系，并判断生物大分子结构的稳定性，从而为实验合成提供一定的理论支持。

目前应用于生物大分子的分子动力学模拟软件主要有Amber、Gromacs和NAMD。Amber是由美国加利福尼亚大学旧金山分校Kollman教授课题组开发的一款商业软件。GROMACS是一个功能强大的分子动力学的模拟软件，它是一款免费、开源的软件，此外它还为轨迹分析提供了大量的辅助工具。NAMD是由美国伊利诺伊大学香槟分校的理论与计算生物物理研究组开发的一款分子动力学软件，它也是一款免费、开源的软件，此外它可以与分析软件VMD配套使用。

近年来关于生物大分子的分子动力学模拟模拟研究不断发展，对于DNA多面体，A.Desideri课题组构建了四分支DNA四面体模型、八分支DNA八面体模型、五分支三角棱柱模型、六分支立方体模型等，并进行了分子动力学模拟，论证了其稳定性，重点研究了顶点处单链linker对DNA截角八面体结构的影响。但是在之前的实验合成或理论模拟中，设计的都是常规的DNA多面体结构，即一条单链占DNA多面体的一个面，例如四分支DNA四面体、八分支DNA八面体，缺少对于特殊分支数的DNA多面体结构的研究，无法判断不同拓扑结构对DNA多面体性质的影响。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种特殊分支数DNA多面体的模拟分析方法，用来确定特殊分支数DNA多面体的稳定性，判断不同拓扑结构对DNA多面体性质的影响，从而为DNA多面体的实验合成提供理论支持。

基于上述技术目的，本发明提供以下技术方案：

本发明第一方面，提供一种特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，所述模拟分析方法包括以下步骤：将能量最小化的DNA多面体模型进行加热，对加热后DNA多面体模型进行分子动力学模拟并记录轨迹，基于所述轨迹评价DNA多面体稳定性以及合成难度。

目前关于DNA多面体的研究主要集中于常规DNA多面体，即N分支N面体(四分支DNA四面体、八分支DNA八面体；其中，四分支DNA四面体是由4条DNA单链组的，八分支DNA八面体是由8条DNA单链组成的，每一条DNA单链围成多面体的一个面，反向平行的两条单链螺旋后构成多面体的一个棱)，上述DNA多面体构型，DNA单链的空间折叠方式较为简单。而本发明的研究对象为特殊分支数的DNA多面体模型，例如，同样构建DNA四面体构型，还包括二分支的构建方式，即采用两条DNA单链构成一个四面体，有些构型中，其中一条DNA单链构成其中四面体的一个面，另一条长链围成四面体的剩余三个面；有些构型中，一条DNA单链构成四面体的两个面，另一条长链构成剩余两个面。实施例2和3中示出的结构仅作为具体说明的案例，除常规DNA多面体构型之外的其他构成方式均可以看做特殊分支的DNA多面体。

针对上述这种特殊分支的DNA多面体，现有建模和研究方法无法实现其建模及模拟分析过程。本发明提供的模拟分析方法不仅能够适用于常规的DNA多面体构型分析，针对特殊分支的DNA多面体也能够进行分析。

优选的，所述模拟分析方法步骤如下：

(1)根据DNA多面体的分支数、每条边的交叉数及顶点linker的长度设计DNA多面体结构的链环图；设计DNA多面体的序列，构建DNA多面体的全原子模型；

(2)对所述DNA多面体的全原子模型进行溶剂化处理，获得电中性的立方水体模型；

(3)针对该溶剂化的DNA多面体模型进行能量最小化，再对所述能量最小化之后的DNA多面体模型进行加热，得到DNA多面体模型加热过程中的轨迹；

(4)对加热后的DNA多面体模型进行分子动力学模拟获得MD轨迹，分析所述MD轨迹的均方根偏差(RMSD)、均方根波动(RMSF)、回旋半径(RG)及团簇(cluster)等数据确定所述DNA多面体模型的稳定性及合成难度。

DNA多面体的分支数会影响DNA多面体的稳定性，若直接采用实验合成的方法研究不同分支数DNA多面体的稳定性，实验成本过高。本发明提供的方法，能够获得不同分支数DNA多面体结构的稳定性，根据分支数、交叉数、linker的长度以及DNA序列，能够合成不同分支数的DNA多面体。

以上一个或多个技术方案的有益效果是：

(1)本发明成本低廉，对计算设备要求不高，小型工作站即可。此外，本发明所涉及到的序列设计软件uniquimer3D、建模软件NanoEngineer-1、模拟软件NAMD、可视化软件VMD、分析软件Gromacs等都属于免费、开源软件，可以在官方网站下载软件包和使用教程。

(2)本发明可以研究特殊分支数的DNA多面体结构，相比于常规的N分支N面体(例如四分支四面体、八分支八面体)，能够研究不同拓扑结构对DNA多面体性质的影响。

(3)DNA纳米材料在医学、生物技术、成像和材料科学等领域得到了广泛的应用，本发明通过理论模拟的方法研究DNA多面体纳米笼结构的动力学性质，能够为DNA多面体纳米笼结构的实验合成提供一定的理论支持。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1-3所述DNA多面体的链环图；

其中，图1(A)表示实施例1，是一个常规的四分支DNA四面体，4条DNA单链，每条链占据3个边长；

图1(B)表示实施例2，是一个特殊的二分支DNA四面体，2条DNA单链，一条占据3个边长，另一条占据9个边长；

图1(C)表示实施例3，是一个特殊的二分支DNA四面体，2条DNA单链，一条占据4个边长，另一条占据8个边长。

图2为本发明实施例的DNA多面体的由软件构建的模型；

图2(A)表示实施例1，图2(B)表示实施例2，图2(C)表示实施例3；该模型由B型DNA进行构建。

图3为本发明实施例1-3所述DNA多面体的RMSD(均方根偏差)-时间变化曲线；

图3(A)表示实施例1，图3(B)表示实施例2，图3(C)表示实施例3。

图4为本发明实施例1-3的DNA多面体的Local RMSF(局部均方根波动值)图；

为每个螺旋单独计算，展示了单条螺旋链的运动信息，图中两条曲线分别表示两条互补链上的核苷酸；图4(A)表示实施例1，图4(B)表示实施例2，图4(C)表示实施例3。

图5为本发明实施例1-3的DNA多面体的Global RMSF(全局均方根偏差值)图；

通过拟合DNA多面体总体结构进行计算，包含结构整体运动的信息。图中两条曲线分别表示两条互补链上的核苷酸；图5(A)表示实施例1，图5(B)表示实施例2，图5(C)表示实施例3。

图6为本发明实施例1-3的DNA多面体的RG(回旋半径)图；

图6(A)表示实施例1，图6(B)表示实施例2，图6(C)表示实施例3。

图7为本发明实施例1-3的DNA多面体的顶点处linker构象簇频率分布直方图；

每个linker都用一个条表示，在每个条中报告了三个最密集的构象簇的百分比；图7(A)表示实施例1，图7(B)表示实施例2，图7(C)表示实施例3。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，目前针对特殊分支的DNA多面体结构研究较为空白，为了解决如上的技术问题，本发明目的在于提供用于判断DNA多面体结构稳定性的方法，基于该目的，本发明提供了一种特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法。

本发明第一方面，提供一种特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，所述模拟分析方法包括以下步骤：将能量最小化的DNA多面体模型进行加热，对加热后DNA多面体模型进行分子动力学模拟并记录轨迹，基于所述轨迹评价DNA多面体稳定性以及合成难度。

优选的，所述模拟分析方法步骤如下：

(1)根据DNA多面体的分支数、每条边的交叉数及顶点linker的长度设计DNA多面体结构的链环图；设计DNA多面体的序列，构建DNA多面体的全原子模型；

(2)对所述DNA多面体的全原子模型进行溶剂化处理，获得电中性的立方水体模型；

(3)针对该溶剂化的DNA多面体模型进行能量最小化，再对所述能量最小化之后的DNA多面体模型进行加热；

(4)对加热后的DNA多面体模型进行分子动力学模拟获得MD轨迹，分析所述MD轨迹的均方根偏差(RMSD)、均方根波动(RMSF)、回旋半径(RG)及团簇(cluster)等数据确定所述DNA多面体模型的稳定性及合成难度。

进一步优选的，所述步骤(1)中，通过软件uniquimer3D，设计DNA多面体的序列。由于本发明中的DNA多面体构型与现有技术中的研究发生了区别，为了实现特殊分支的DNA多面体的设计，本发明首先调整了建模所需的软件。

更进一步的，利用软件NanoEngineer-1构建DNA多面体的全原子模型；基于该软件，同时获得核酸中所有原子的坐标和核酸的结构信息。

进一步优选的，所述步骤(2)中，对所述DNA多面体的全原子模型进行溶剂化处理，使用TIP3P水分子模型，生成立方水体。

更进一步的，所述步骤(2)中，向立方水体中加入Mg²⁺离子中和电荷，使立方水体保持电中性从而获得电中性的立方水体模型。

在上述优选技术方案的一些具体实施方式中，所述步骤(2)中，通过软件VMD对DNA多面体的全原子模型进行溶剂化处理，使用TIP3P水分子模型，生成立方水体，设置核酸结构与立方体水盒子的盒壁距离为2～3纳米，并获得相应的pdb文件(负责储存核酸中所有原子的坐标)和psf文件(负责储存核酸的结构信息)。

优选的，所述步骤(3)中，所述能量最小化通过共轭梯度法实现；在本发明效果较好的一些实施方式中，利用软件NAMD对DNA多面体模型进行两个100ps的能量最小化过程：第一步对DNA四面体结构施加

的谐波限制，放松体系中的水和离子；第二步不施加任何限制，放松整个体系。

优选的，所述步骤(3)中，对所述能量最小化之后的DNA模型进行加热，具体步骤如下：利用软件NAMD对能量最小化之后的DNA多面体模型进行一个1500ps的加热过程。

进一步优选的，所述加热方式如下：将系统从0K逐渐加热到300K，每500ps增加100K的温度。具体的，所述加热过程为进行了三个500ps的加热过程，第一个500ps的加热过程从0K到100K，第二个500ps的加热过程从100K到200K，第二个500ps的加热过程从200K到300K。

进一步优选的，所述加热过程采用软件NAMD的NVT系综模式。

上述加热过程中，还可以获得DNA多面体模型加热过程中的轨迹，根据轨迹文件辅助判断该DNA多面体的稳定性。

优选的，所述步骤(4)中，通过软件NAMD对加热之后的DNA多面体模型进行一个50ns的分子动力学模拟过程，并获得相应的MD轨迹。

进一步优选的，所述分子动力学模拟的步长设置为2fs。

更进一步的，所述分子动力学模拟过程，使用周期性边界条件(Periodicboundary condition)，保证模拟系统中粒子数的恒定，并消除边界效应。

更进一步的，所述分子动力学模拟过程，使用CHARMM36力场去确定核酸结构原子之间以及核酸与水的作用。

更进一步的，所述分子动力学模拟过程，使用

的截断(cutoff)值计算短程非键相互作用，使用PME(Particle Mesh Ewald)方法来计算长程静电相互作用。

更进一步的，所述分子动力学模拟过程，使用SHAKE和SETTLE算法分别约束核酸和水分子的所有键长。

进一步优选的，分子动力学模拟过程，温度通过Langevin动力学设定在300k，压力通过LangevinPistion设定在1atm。

优选的，所述步骤(4)中，使用软件Gromacs的不同模块对MD轨迹从RMSD值、RMSF值、RG值及cluster等数据进行分析。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

(1)首先进行一个四分支DNA四面体链环图的绘制。该DNA四面体的分支数设置为4，每条边上的交叉数设置为6，双螺旋边的长度设置为31nt，顶点处linker的长度设置为3T。DNA多面体结构的链环图如图1所示，整个结构由4条DNA单链组成，每条链的长度为3个四面体边长，该DNA四面体命名为4s。

(2)使用软件uniquimer3D，设计DNA多面体的序列，DNA多面体的序列如下，其中下划线部分表示linker：

strand 1:

AAACTACTCCTCGAAGTGATTTGTACCGTCTTTTGATAGGGCGGGACCCGG

GATAGCATATGGGTTTTTGCCCGGATCGAGACCCCTCAATTCGGGAGG

strand 2:

ACCCATATGCTATCCCGGGTCCCGCCCTATCTTTATTTGCGTGATCGCATCACTACCAGACGGACTTTTAAAAGGGGAATCCCTGCCACGTGAATGCGG

strand 3:

AACATGCGTAAGGCATAACCATACCGAATAATTTCCTCCCGAATTGAGGGGTCTCGATCCGGGCATTTCCGCATTCACGTGGCAGGGATTCCCCTTTTA

strand 4:

AGACGGTACAAATCACTTCGAGGAGTAGTTTTTTTTATTCGGTATGGTTATGCCTTACGCATGTTTTTGTCCGTCTGGTAGTGATGCGATCACGCAAAT。

从图1(A)中可以看出，本实施例中提供的DNA模型是一种常规的DNA四面体模型，即四条DNA单链分别围成DNA四面体的一个面。

(3)使用软件NanoEngineer-1构建DNA多面体的全原子模型，如图2所示。使用软件NanoEngineer-1配套的网站服务可获得相应的坐标文件4s.pdb和结构文件4s.psf。该DNA四面体模型包含的核苷酸个数为396，原子总数为12571。

(4)使用软件VMD对DNA多面体模型进行溶剂化处理，使用TIP3P水分子模型，设置核酸结构与立方水体的盒壁距离为2.5纳米，生成立方水体，并获得相应的坐标文件4s_wb.pdb和结构文件4s_wb.psf；然后向立方水体中加入Mg²⁺离子中和电荷，使立方水体保持电中性，获得相应的坐标文件4s_wb_ionized.pdb和结构文件4s_wb_ionized.psf；该立方水体包含的水分子个数为177943，核苷酸个数为396，镁离子个数为196，原子总数为546596。

(5)使用软件NAMD，采用共轭梯度法，对溶剂化之后的DNA多面体模型进行两个100ps的能量最小化过程：第一步对DNA四面体结构施加

的谐波限制，放松体系中的水和离子，得到轨迹文件4s_min1.dcd；第二步不施加任何限制，放松整个体系,得到轨迹文件4s_min2.dcd。此外得到文件4s_min2.coor、4s_min2.vel、4s_min2.xsc，可用于下一步的模拟。

(6)使用软件NAMD，采用NVT系综，对能量最小化之后的DNA多面体模型进行一个1500ps的加热过程，将系统从0K逐渐加热到300K，每500ps增加100K的温度，得到轨迹文件4s_heat1.dcd、4s_heat2.dcd、4s_heat3.dcd。此外得到文件4s_heat3.coor、4s_heat3.vel、4s_heat3.xsc，可用于下一步的模拟。

(7)使用软件NAMD对加热之后的DNA多面体模型进行一个步长为2fs、模拟时常为50ns的分子动力学模拟过程，并获得相应的MD轨迹文件4s_eq.dcd。模拟过程中，使用PBC保证模拟系统中粒子数的恒定，并消除边界效应；使用CHARMM36力场去确定核酸结构原子之间以及核酸与水的作用；使用

的cutoff值计算短程非键相互作用，使用PME方法来计算长程静电相互作用；使用SHAKE和SETTLE算法分别约束核酸和水分子的所有键长；使用Langevin动力学设定温度在300K，使用LangevinPistion设定压力在1atm。

(8)使用软件Gromacs处理DNA多面体模型的MD轨迹文件，从均方根偏差RMSD、均方根波动RMSF、回旋半径RG、团簇cluster等方面进行分析。

实施例2：

(1)首先进行一个二分支DNA四面体链环图的绘制。该DNA四面体的分支数设置为2，每条边上的交叉数设置为6，双螺旋边的长度设置为31nt，顶点处linker的长度设置为3T。DNA多面体结构的链环图如图1所示，整个结构由2条DNA单链组成，其中一条链的长度为3个四面体边长，另一条链的长度为9个四面体边长，该DNA四面体命名为2s1。

(2)使用软件uniquimer3D，设计DNA多面体的序列，DNA多面体的序列如下，其中下划线部分表示linker：

strand 1:

ATCGTCTATAGTAAGTTTTTCCTAACGCAGGTTTTGTTTTCGCGTTACTTTATAGCGGATTTTCATTTTTGGATCAAATATGAGTAGGTCACGTATCTATTTTCGGATCCTAGGCTCAGGATCTGGGTATCCATTTTAGCACATTCAATCTCCGTTCAGGGGCTCGGTTTTGAAAATCCGCTATAAAGTAACGCGAAAACATTTCACATCTGATCCGACTGTTTGTCTCTCTTCATTTTAGATACGTGACCTACTCATATTTGATCCAATTTCCGAGCCCCTGAACGGAGATTGAATGTGCTA

strand 2:

CCTGCGTTAGGAAAAACTTACTATAGACGATTTTTGGATACCCAGATCCTGAGCCTAGGATCCGATTTTGAAGAGAGACAAACAGTCGGATCAGATGTG。

从图1(B)中可以看出，本实施例中提供的DNA四面体由两条DNA单链围成，其中strand2围成图1(B)中底面的三角形，而strand1则围成剩余的三个面。

(3)使用软件NanoEngineer-1构建DNA多面体的全原子模型，如图2所示。使用软件NanoEngineer-1配套的网站服务可获得相应的坐标文件2s1.pdb和结构文件2s1.psf。该DNA四面体模型包含的核苷酸个数为402，原子总数为12780。

(4)使用软件VMD对DNA多面体模型进行溶剂化处理，使用TIP3P水分子模型，设置核酸结构与立方水体的盒壁距离为2.5纳米，生成立方水体，并获得相应的坐标文件2s1_wb.pdb和结构文件2s1_wb.psf；然后向立方水体中加入Mg²⁺离子中和电荷，使立方水体保持电中性，获得相应的坐标文件2s1_wb_ionized.pdb和结构文件2s1_wb_ionized.psf；该立方水体包含的水分子个数为167952，核苷酸个数为402，镁离子个数为200，原子总数为516836。

(5)使用软件NAMD，采用共轭梯度法，对溶剂化之后的DNA多面体模型进行两个100ps的能量最小化过程：第一步对DNA四面体结构施加

的谐波限制，放松体系中的水和离子，得到轨迹文件2s1_min1.dcd；第二步不施加任何限制，放松整个体系,得到轨迹文件2s1_min2.dcd。此外得到文件2s1_min2.coor,2s1_min2.vel,2s1_min2.xsc，可用于下一步的模拟。

(6)使用软件NAMD，采用NVT系综，对能量最小化之后的DNA多面体模型进行一个1500ps的加热过程，将系统从0K逐渐加热到300K，每500ps增加100K的温度，得到轨迹文件2s1_heat1.dcd、2s1_heat2.dcd、2s1_heat3.dcd。此外得到文件2s1_heat3.coor、2s1_heat3.vel、2s1_heat3.xsc，可用于下一步的模拟。

(7)使用软件NAMD对加热之后的DNA多面体模型进行一个步长为2fs、模拟时常为50ns的分子动力学模拟过程，并获得相应的MD轨迹文件2s1_eq.dcd。模拟过程中，使用PBC保证模拟系统中粒子数的恒定，并消除边界效应；使用CHARMM36力场去确定核酸结构原子之间以及核酸与水的作用；使用

的cutoff值计算短程非键相互作用，使用PME方法来计算长程静电相互作用；使用SHAKE和SETTLE算法分别约束核酸和水分子的所有键长；使用Langevin动力学设定温度在300K，使用LangevinPistion设定压力在1atm。

(8)使用软件Gromacs处理DNA多面体模型的MD轨迹文件，从均方根偏差RMSD、均方根波动RMSF、回旋半径RG、团簇cluster等方面进行分析。

实施例3：

(1)首先进行一个二分支DNA四面体链环图的绘制。该DNA四面体的分支数设置为2，每条边上的交叉数设置为6，双螺旋边的长度设置为31nt,顶点处linker的长度设置为3T。DNA多面体结构的链环图如图1所示，整个结构由2条DNA单链组成，其中一条链的长度为4个四面体边长，另一条链的长度为8个四面体边长，该DNA四面体命名为2s2。

(2)使用软件uniquimer3D，设计DNA多面体的序列，DNA多面体的序列如下，其中下划线部分表示linker：

strand 1:

GGTCGCTGTCGAAAGGCAGTTTCCTAGCAATTTTTTCGCACGGTGGAGAGTCCGTCTTAACCGCCTTTTGCCGTCCGACTGGATGTTCAGTTCCTCAAATTTGCTGTGTAGGTCTGACGCAAAGATCGTACATTTTATTGCTAGGAAACTGCCTTTCGACAGCGACCTTTGGGTTTTGCCCTTGTTCAGGCCATGCAGTCATTTTTTGAGGAACTGAACATCCAGTCGGACGGCATTTGGAAGCTCCCATGACCATAGGTGAATAAGCT

strand 2:

ATGTACGATCTTTGCGTCAGACCTACACAGCTTTTGACTGCATGGCCTGAACAAGGGCAAAACCCTTTAGCTTATTCACCTATGGTCATGGGAGCTTCCTTTGGCGGTTAAGACGGACTCTCCACCGTGCGAA。

从图1(C)中可以看出，strand2参与构成所述四面体其中两个面的四条边，而strand1则围成一个具有空间构型的四面体构型。

(3)使用软件NanoEngineer-1构建DNA多面体的全原子模型，如图3所示。使用软件NanoEngineer-1配套的网站服务可获得相应的坐标文件2s2.pdb和结构文件2s2.psf。该DNA四面体模型包含的核苷酸个数为402，原子总数为12764。

(4)使用软件VMD对DNA多面体模型进行溶剂化处理，使用TIP3P水分子模型，设置核酸结构与立方水体的盒壁距离为2.5纳米，生成立方水体，并获得相应的坐标文件2s2_wb.pdb和结构文件2s2_wb.psf；然后向立方水体中加入Mg²⁺离子中和电荷，使立方水体保持电中性，获得相应的坐标文件2s2_wb_ionized.pdb和结构文件2s2_wb_ionized.psf；该立方水体包含的水分子个数为164160，核苷酸个数为402，镁离子个数为200，原子总数为505444。

(5)使用软件NAMD，采用共轭梯度法，对溶剂化之后的DNA多面体模型进行两个100ps的能量最小化过程：第一步对DNA四面体结构施加

的谐波限制，放松体系中的水和离子，得到轨迹文件2s2_min1.dcd；第二步不施加任何限制，放松整个体系,得到轨迹文件2s2_min2.dcd。此外得到文件2s2_min2.coor、2s2_min2.vel、2s2_min2.xsc，可用于下一步的模拟。

(6)使用软件NAMD，采用NVT系综，对能量最小化之后的DNA多面体模型进行一个1500ps的加热过程，将系统从0K逐渐加热到300K，每500ps增加100K的温度，得到轨迹文件2s2_heat1.dcd、2s2_heat2.dcd、2s2_heat3.dcd。此外得到文件2s2_heat3.coor、2s2_heat3.vel、2s2_heat3.xsc，可用于下一步的模拟。

(7)使用软件NAMD对加热之后的DNA多面体模型进行一个步长为2fs、模拟时常为50ns的分子动力学模拟过程，并获得相应的MD轨迹文件2s2_eq.dcd。模拟过程中，使用PBC保证模拟系统中粒子数的恒定，并消除边界效应；使用CHARMM36力场去确定核酸结构原子之间以及核酸与水的作用；使用

的cutoff值计算短程非键相互作用，使用PME方法来计算长程静电相互作用；使用SHAKE和SETTLE算法分别约束核酸和水分子的所有键长；使用Langevin动力学设定温度在300K，使用LangevinPistion设定压力在1atm。

(8)使用软件Gromacs处理DNA多面体模型的MD轨迹文件，从均方根偏差RMSD、均方根波动RMSF、回旋半径RG、团簇cluster等方面进行分析。

结果分析通过以下方面进行：

(1)均方根偏差(Root mean square deviations)：它反映的是结构偏离初始位置的程度，能够描述结构在模拟过程中的动态变化，可以用来判断蛋白质或DNA结构的稳定性。

(2)均方根波动(Root mean square fluctuation)它描述的是残基的均方根位移，能用来判断蛋白质或DNA在某个区域的柔性高低。这里以每个核苷酸上的磷原子为代表来计算结构的RMSF值。Local RMSF为每个螺旋单独计算，展示了单条螺旋链的运动信息。Global RMSF通过拟合DNA多面体总体结构进行计算，包含结构整体运动的信息。

(3)回旋半径(Radii of gyration)：蛋白质或DNA结构的回旋半径能够反映其体积和形状，回旋半径越大，说明体系越膨胀。

(4)团簇(cluster)：进行聚类分析，可以知道多肽链或者DNA链有哪些比较稳定的构象，以及各个构象如何分布。

实施例1～3的RMSD随时间变化的曲线，如图3所示。由图3可以看出，在20ns之后RMSD曲线趋于恒定，说明4s DNA多面体结构、2s1 DNA多面体结构、2s2 DNA多面体结构均处于稳定状态，可以对20ns～50ns的模拟结果进行分析。

实施例1～3的Local RMSF与Global RMSF的分析结果，如图4～5所示。Local RMSF为每个螺旋单独计算，展示了单条螺旋链的运动信息，由图4可以看出，两条互补链的LocalRMSF值具有对称性，链内部波动较小，链端波动较大。Global RMSF通过拟合DNA多面体总体结构进行计算，包含结构整体运动的信息，由图5可以看出，螺旋的Global RMSF呈现正弦趋势，表明旋转运动大致围绕螺旋外边缘切向的轴线发生。

实施例1～3的RG随时间变化的曲线，如图6所示。由图6可以看出，在20ns之后，三个结构的RG值变动均不大，体系不再膨胀或缩小，说明结构处于一种稳定状态。

实施例1～3的顶点处linker的团簇分析结果，如图7所示。由图7可以看出，4s DNA多面体结构、2s1 DNA多面体结构、2s2 DNA多面体结构的前三个主要的构象簇占比均在85％以上，说明了三个结构顶点处linker的稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

SEQUENCE LISTING

<110> 山东大学

<120> 一种用于特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法

<130> 2010

<160> 8

<170> PatentIn version 3.3

<210> 1

<211> 99

<212> DNA

<213> 人工序列

<400> 1

aaactactcc tcgaagtgat ttgtaccgtc ttttgatagg gcgggacccg ggatagcata 60

tgggtttttg cccggatcga gacccctcaa ttcgggagg 99

<210> 2

<211> 99

<212> DNA

<213> 人工序列

<400> 2

acccatatgc tatcccgggt cccgccctat ctttatttgc gtgatcgcat cactaccaga 60

cggactttta aaaggggaat ccctgccacg tgaatgcgg 99

<210> 3

<211> 99

<212> DNA

<213> 人工序列

<400> 3

aacatgcgta aggcataacc ataccgaata atttcctccc gaattgaggg gtctcgatcc 60

gggcatttcc gcattcacgt ggcagggatt cccctttta 99

<210> 4

<211> 99

<212> DNA

<213> 人工序列

<400> 4

agacggtaca aatcacttcg aggagtagtt ttttttattc ggtatggtta tgccttacgc 60

atgtttttgt ccgtctggta gtgatgcgat cacgcaaat 99

<210> 5

<211> 303

<212> DNA

<213> 人工序列

<400> 5

atcgtctata gtaagttttt cctaacgcag gttttgtttt cgcgttactt tatagcggat 60

tttcattttt ggatcaaata tgagtaggtc acgtatctat tttcggatcc taggctcagg 120

atctgggtat ccattttagc acattcaatc tccgttcagg ggctcggttt tgaaaatccg 180

ctataaagta acgcgaaaac atttcacatc tgatccgact gtttgtctct cttcatttta 240

gatacgtgac ctactcatat ttgatccaat ttccgagccc ctgaacggag attgaatgtg 300

cta 303

<210> 6

<211> 99

<212> DNA

<213> 人工序列

<400> 6

cctgcgttag gaaaaactta ctatagacga tttttggata cccagatcct gagcctagga 60

tccgattttg aagagagaca aacagtcgga tcagatgtg 99

<210> 7

<211> 269

<212> DNA

<213> 人工序列

<400> 7

ggtcgctgtc gaaaggcagt ttcctagcaa ttttttcgca cggtggagag tccgtcttaa 60

ccgccttttg ccgtccgact ggatgttcag ttcctcaaat ttgctgtgta ggtctgacgc 120

aaagatcgta cattttattg ctaggaaact gcctttcgac agcgaccttt gggttttgcc 180

cttgttcagg ccatgcagtc attttttgag gaactgaaca tccagtcgga cggcatttgg 240

aagctcccat gaccataggt gaataagct 269

<210> 8

<211> 133

<212> DNA

<213> 人工序列

<400> 8

atgtacgatc tttgcgtcag acctacacag cttttgactg catggcctga acaagggcaa 60

aaccctttag cttattcacc tatggtcatg ggagcttcct ttggcggtta agacggactc 120

tccaccgtgc gaa 133

Claims (10)

1.一种特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，其特征在于，所述模拟分析方法包括以下步骤：将能量最小化的DNA多面体模型进行加热，对加热后DNA多面体模型进行分子动力学模拟并记录轨迹，基于所述轨迹评价DNA多面体稳定性以及合成难度。

2.如权利要求1所述特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，其特征在于，所述模拟分析方法步骤如下：

(1)根据DNA多面体的分支数、每条边的交叉数及顶点linker的长度设计DNA多面体结构的链环图；设计DNA多面体的序列，构建DNA多面体的全原子模型；

(2)对所述DNA多面体的全原子模型进行溶剂化处理，获得电中性的立方水体模型；

(3)针对该溶剂化的DNA多面体模型进行能量最小化，再对所述能量最小化之后的DNA多面体模型进行加热；

(4)对加热后的DNA多面体模型进行分子动力学模拟获得MD轨迹，分析所述MD轨迹的均方根偏差、均方根波动、回旋半径及团簇的数据确定所述DNA多面体模型的稳定性及合成难度。

3.如权利要求2所述特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中，通过软件uniquimer3D，设计DNA多面体的序列；

优选的，利用软件NanoEngineer-1构建DNA多面体的全原子模型；基于该软件，同时获得核酸中所有原子的坐标和核酸的结构信息。

4.如权利要求2所述特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中，对所述DNA多面体的全原子模型进行溶剂化处理，使用TIP3P水分子模型，生成立方水体；

优选的，向立方水体中加入Mg²⁺离子中和电荷，使立方水体保持电中性从而获得电中性的立方水体模型；

进一步优选的，所述步骤(2)中，通过软件VMD对DNA多面体的全原子模型进行溶剂化处理，使用TIP3P水分子模型，生成立方水体，设置核酸结构与立方体水盒子的盒壁距离为2～3纳米，并获得相应的pdb文件和psf文件。

5.如权利要求2所述特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述能量最小化通过共轭梯度法实现；

优选的，利用软件NAMD对DNA多面体模型进行两个100ps的能量最小化过程：第一步对DNA四面体结构施加

的谐波限制，放松体系中的水和离子；第二步不施加任何限制，放松整个体系。

6.如权利要求2所述特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对所述能量最小化之后的DNA模型进行加热，具体步骤如下：利用软件NAMD对能量最小化之后的DNA多面体模型进行一个1500ps的加热过程；

优选的，所述加热方式如下：将系统从0K逐渐加热到300K，每500ps增加100K的温度；进一步优选的，所述加热过程为进行了三个500ps的加热过程，第一个500ps的加热过程从0K到100K，第二个500ps的加热过程从100K到200K，第二个500ps的加热过程从200K到300K；

进一步优选的，所述加热过程采用软件NAMD的NVT系综模式。

7.如权利要求2所述特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，其特征在于，所述步骤(4)中，通过软件NAMD对加热之后的DNA多面体模型进行一个50ns的分子动力学模拟过程，并获得相应的MD轨迹；

优选的，所述分子动力学模拟的步长设置为2fs。

8.如权利要求7所述特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，其特征在于，所述分子动力学模拟过程，使用周期性边界条件，保证模拟系统中粒子数的恒定，并消除边界效应；

或，所述分子动力学模拟过程，使用CHARMM36力场去确定核酸结构原子之间以及核酸与水的作用；

或，所述分子动力学模拟过程，使用

的截断值计算短程非键相互作用，使用PME方法来计算长程静电相互作用；

或，所述分子动力学模拟过程，使用SHAKE和SETTLE算法分别约束核酸和水分子的所有键长。

9.如权利要求7所述特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，其特征在于，分子动力学模拟过程，温度通过Langevin动力学设定在300k，压力通过LangevinPistion设定在1atm。

10.如权利要求2所述特殊分支数的DNA多面体的模拟分析方法，其特征在于，所述步骤(4)中，使用软件Gromacs的不同模块对MD轨迹从RMSD值、RMSF值、RG值及cluster方面进行分析。

Images