噬菌体基因组在体外和体内注射的动力学

噬菌体，简称phage，是细菌的病毒。大多数噬菌体包含一个双链DNA基因组，以约500 mg/ml的密度包装在衣壳内。这种高密度需要对正常的B型螺旋进行显著压缩，导致人们推测成熟噬菌体病毒粒子中的DNA处于显著压力之下，并且这种压力用于在感染期间注射DNA。围绕这一推测的大量理论、计算机模拟和体外实验研究揭示了包装DNA的许多方面——尽管通常是孤立和/或矛盾的。这促使我们提出一个关于包装在噬菌体衣壳中DNA的统计物理和热力学的统一观点。我们认为，成熟噬菌体中的DNA处于（亚）稳态，其中静电自排斥被衣壳约束引起的曲率应力所平衡。我们表明，除了与包装DNA及其反离子相关的渗透压外，衣壳内还存在四种不同的压力：DNA上的压力、静水压力、衣壳承受的压力以及与DNA注射化学势相关的压力。重要的是，我们分析了包装DNA中力传递的机制，并证明DNA上的压力对注射并不重要。我们推导出的方程显示，衣壳壳层两侧存在强大的静水压力差。我们提出，当噬菌体在体外被其受体触发注射时，水分子进入噬菌体衣壳的（热力学）驱动力将DNA冲出衣壳。在体内，细菌细胞质和培养基之间渗透压的差异同样导致水流将DNA拖出衣壳并进入细菌细胞。