用元动力学探测DNA纳米结构的力学性质

分子动力学模拟常用于DNA纳米结构设计流程中的反馈。然而，即便使用粗粒化模型，从无偏模拟中收敛分布也很缓慢，限制了其在平衡结构性质上的应用。鉴于对动态、可重构和可变形器件日益增加的兴趣，亟需能够高效量化大范围运动、构象转变和力学变形的方法。元动力学（metadynamics）是一种自动偏置技术，通过展平自由能景观实现分子构象分布的快速获取。在此，我们利用该方法采样了无偏动力学非遍历的DNA纳米结构的自由能景观，包括双稳态Holliday结和双稳态折纸的一部分。以一个折纸柔顺关节为案例研究，我们进一步证明元动力学可预测完整DNA折纸器件在施力下的力学响应，与实验吻合良好。我们的结果建立了研究DNA纳米器件中自由能景观和力响应的高效框架，可应用于迭代设计流程中的快速反馈，并普遍促进模拟与实验的融合。元动力学对于指导纳米机器人、生物传感或纳米制造应用中的动态器件设计将特别有用。