DNA 变性气泡：自由能景观与成核/闭合速率

本文利用粗粒化元动力学（MetaDynamics）和布朗模拟，研究了非超螺旋应力诱导的 DNA 变性气泡的成核及缓慢闭合机制。我们采用了一个极简的介观模型，其中双螺旋由两条相互作用的珠簧旋转链组成，并在双链态下具有指定的扭转模量。我们证明，与实验一致，约 10 个碱基对气泡的成核（或闭合）时间尺度分别与室温 $T$ 下跨越 $22~k_{\rm B}T$（或 $13~k_{\rm B}T$）自由能势垒相关联。元动力学使我们能够精确重构自由能景观，表明自由能势垒源于气泡态与双链态之间的扭转能差异，从而突出了控制成核/闭合机制的限制步骤——集体扭转，并得以获取毫秒量级的开放时间尺度。与微小的呼吸气泡不同，这些大于 4 个碱基对的气泡具有生物学意义，例如当特定的 DNA 结合蛋白需要预先存在的变性状态时。