Advanced

Computer Simulation Study of dsDNA - Melting and Bubble Formation

Rieloff, Ellen LU (2016) KEMR18 20161
Department of Chemistry
Common departments, the faculties of Science and Engineering
Abstract
A simple coarse-grained model has been developed for the purpose of studying DNA melting and especially the formation of bubbles in the melting process. The inter-strand interaction includes terms for excluded volume and electrostatics, as well as a short-ranged attraction modelling hydrogen-bonding, differing for the two base pairs. Results were obtained by canonical Monte Carlo simulations. The melting curves shows great resemblance in shape to experimental melting curves, and the model captures trends related to concentration and length. Changes in radius of gyration, end-to-end distance and persistence length is also observed upon melting. Block structures of different base pairs exhibit stepwise melting, where the AT block separates... (More)
A simple coarse-grained model has been developed for the purpose of studying DNA melting and especially the formation of bubbles in the melting process. The inter-strand interaction includes terms for excluded volume and electrostatics, as well as a short-ranged attraction modelling hydrogen-bonding, differing for the two base pairs. Results were obtained by canonical Monte Carlo simulations. The melting curves shows great resemblance in shape to experimental melting curves, and the model captures trends related to concentration and length. Changes in radius of gyration, end-to-end distance and persistence length is also observed upon melting. Block structures of different base pairs exhibit stepwise melting, where the AT block separates first, causing the formation of bubbles. Simulated scattering data provides information about changes in shape and size upon melting, but does not detect bubbles. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
DNA är en mycket viktig molekyl, eftersom den innehåller all vår genetiska information. DNA består av två komplementära strängar som tillsammans bildar en dubbelhelix. Varje sträng är en sekvens av nukleotider, med olika baser: adenin (A), tymin (T), guanin (G), och cytosin (C). A och T på olika strängar bildar baspar, likaså G och C. Därför kan man genom att läsa av ena strängen veta sekvensen på den andra strängen.

DNA innehåller receptet på kroppens proteiner, men för att komma åt informationen måste dubbelhelixen öppnas, vilket görs med speciella proteiner. De bryter basparen i regioner med rätt information så att lokala bubblor bildas. Även värme kan få dubbelhelixen att öppnas. Detta sker först i regioner där det finns mycket A... (More)
DNA är en mycket viktig molekyl, eftersom den innehåller all vår genetiska information. DNA består av två komplementära strängar som tillsammans bildar en dubbelhelix. Varje sträng är en sekvens av nukleotider, med olika baser: adenin (A), tymin (T), guanin (G), och cytosin (C). A och T på olika strängar bildar baspar, likaså G och C. Därför kan man genom att läsa av ena strängen veta sekvensen på den andra strängen.

DNA innehåller receptet på kroppens proteiner, men för att komma åt informationen måste dubbelhelixen öppnas, vilket görs med speciella proteiner. De bryter basparen i regioner med rätt information så att lokala bubblor bildas. Även värme kan få dubbelhelixen att öppnas. Detta sker först i regioner där det finns mycket A och T, eftersom de basparen sitter ihop svagare än GC-par. På detta sätt bildas lokala bubblor, som sedan blir större med ökad temperatur. Processen när basparen öppnas så att strängarna delar på sig kallas smältning. I detta arbete har smältprocessen och bubbelbildningen studerats, vilket ger information om DNA-molekylens egenskaper och i längden kan ge bättre förståelse för till exempel proteintillverkningen.

Studien har gjorts genom att skapa en enkel modell av DNA, som sedan har simulerats. Datorsimuleringar ger möjligheten att observera exakt vad som händer med en molekyl, vilket är svårt att göra experimentellt. Simuleringar komplementerar därför experiment, och en bra modell kan dessutom förutsäga vad som kommer hända och således underlätta experiment.

Modellen visar att när DNA smälter blir strängarna mer flexibla och mindre utsträckta. Smälttemperaturen påverkas av både längd på molekylen och koncentration av DNA, vilket stämmer överens med tidigare experiment. Genom att simulera data som normalt fås från den experimentella tekniken röntgenspridning har det gjorts förutsägningar om huruvida tekniken kan ge information om bubblorna i smältningen. Den simulerade datan kunde tyvärr inte detektera bubblor, men med modifieringar, så att datan bättre efterliknar röntgenspridning, kan det vara möjligt i framtiden. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Rieloff, Ellen LU
supervisor
organization
course
KEMR18 20161
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
melting, DNA, simulations, coarse-graining, Monte Carlo, theoretical chemistry, teoretisk kemi
language
English
id
8881829
date added to LUP
2016-10-07 15:24:23
date last changed
2016-10-07 15:24:23
@misc{8881829,
  abstract     = {A simple coarse-grained model has been developed for the purpose of studying DNA melting and especially the formation of bubbles in the melting process. The inter-strand interaction includes terms for excluded volume and electrostatics, as well as a short-ranged attraction modelling hydrogen-bonding, differing for the two base pairs. Results were obtained by canonical Monte Carlo simulations. The melting curves shows great resemblance in shape to experimental melting curves, and the model captures trends related to concentration and length. Changes in radius of gyration, end-to-end distance and persistence length is also observed upon melting. Block structures of different base pairs exhibit stepwise melting, where the AT block separates first, causing the formation of bubbles. Simulated scattering data provides information about changes in shape and size upon melting, but does not detect bubbles.},
  author       = {Rieloff, Ellen},
  keyword      = {melting,DNA,simulations,coarse-graining,Monte Carlo,theoretical chemistry,teoretisk kemi},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Computer Simulation Study of dsDNA - Melting and Bubble Formation},
  year         = {2016},
}