囊胞内结节 DNA 配置：液晶理论方法
软凝聚态物质
2025-09-15 v1 生物大分子
摘要
噬菌体是感染细菌的病毒，将微米长的 DNA 存储在直径为 40 纳米至 100 纳米的二面体囊体内。与实验观察一致，受限条件会诱导 DNA 呈六角色谱液晶相的排列，并以结节形式增加基因组的拓扑复杂度。目前缺乏能够实现色谱液晶相并捕捉拓扑变化的数学模型。我们采用一种数学模型将病毒 DNA 表示为向量场与线的配对。向量场是色谱约束下，使总 Oseen-Frank 能量为最小值的液晶向量场；而线被识别为向量场在选定位置的切线，代表 DNA 分子的中轴。Oseen-Frank 泛函为拓扑缺陷（二维中的点缺陷和三维中的线缺陷）赋予无限能量，从而排除了奇点的存在，特别是结节结构。为解决此问题，我们以最优向量场和螺旋线为起点，提出一种新算法，通过与伸展和扭曲变形相关的随机扰动引入结节，采用 Langevin 系统进行建模。最后我们将模型生成的结节分布与先前实验结果进行比较。总体而言，本工作依赖于建模、分析与计算的协同作用，来研究囊体内病毒 DNA 的组织结构。
引用
@article{arxiv.2509.10410,
title = {Knotted DNA Configurations in Bacteriophage Capsids: A Liquid Crystal Theory Approach},
author = {Pei Liu and Zhijie Wang and Tamara Christiani and Mariel Vazquez and M. Carme Calderer and Javier Arsuaga},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.10410},
year = {2025}
}