DNA三棱柱链环的拓扑分类与手性分析
发布时间：2020-11-11 10:49
近几十年来,以DNA分子为构筑材料的DNA多面体已经在实验中被大量合成.DNA多面体分子以其独特的几何和拓扑特征吸引了众多科学研究者的关注.多面体链环是把DNA看作一条细线而形成的环环嵌套的结构,它作为DNA多面体的数学模型被提出,用于解释DNA多面体的拓扑结构.链环不变量是描述和分类这些结构的重要工具.本文旨在通过图论与纽结理论之间的联系,构筑了一些具有生物化学意义的多面体链环,并研究了它们的不变量.本论文的主要内容如下:第一章,主要介绍了本文的研究背景与基础知识.在研究背景方面,我们主要介绍了在实验中合成的DNA多面体分子的研究进展,其中DNA多面体可分为三类，即:DNA柏拉图多面体、DNA阿基米德多面体和其他的DNA多面体.这些实验进展为我们的研究工作提供了背景和目标.在基础知识方面,主要涉及图论和纽结理论方面的一些基本概念和符号,以及对纽结和链环的手性分析,这些为我们的研究提供了理论基础.第二章,每边含有一圈螺旋的DNA三棱柱,最近已经由一条或五条经过合理设计序列的DNA单链组装而成.本章中,我们确定了具有如此双螺旋边类型的DNA三棱柱所有可能存在的拓扑结构,并对它们进行了拓扑分类.我们以六种类型的定向缠绕作为基本构筑模块,将组装成的三棱柱链环作为DNA三棱柱的数学模型.在此过程中,我们首先证明了在三棱柱链环中只允许存在22种定向,然后通过考虑由构筑方法和三棱柱的对称性所产生的同一拓扑结构,我们最终从产生的所有链环图中确定出366种类型的三棱柱链环.此外,通过改变每条边上构筑模块的数目,每种链环类型都包含无穷多的三棱柱链环.我们的工作为三棱柱链环的拓扑结构进行了一个综合的分类,也为进一步合成具有所需拓扑结构的DNA三棱柱提供了一系列候选对象.第三章,在本章中,我们通过计算链环不变量对366种类型的三棱柱链环进行了手性分类.我们首先计算了链环的分支数,交叉数和拧数.应用链环的分支数,我们给出178个具有偶数分支的链环图是手性的.应用链环的交叉数和拧数,并结合Kauffman给出的不等式,我们给出111个具有奇数分支的链环图是手性的.对于剩余的77个三棱柱链环图,我们必须借助于一个更有力的链环不变量,即HOMFLY多项式.因此,我们提出一种新的算法作为通用公式来计算链环的HOMFLY多项式的最小次项.特别地,链环D(2b2nα,4a2ψα,2b2nα,a2nα)64的HOMFLY多项式的次小项被单独给出.由于这些多项式关于变量v是不对称的,因此剩余的这77种OTP链环都是手性的.这些结果表明366种类型的三棱柱链环都是手性的,这意味着DNA三棱柱的手性可以完全由它们的拓扑结构来确定.因此,我们的工作为从理论角度预测和控制DNA三棱柱的手性提供了崭新的视角。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q523
【部分图文】：
ＤＮＡ四面体??２００５年．Ｔｕｒｂｅｒｆｉｅｌｄ课题组利用一种简便的快速组装方法．用四条ＤＮＡ链合??成了?ＤＮＡ四面体％．如图１－ｌａ所示．他们通过快速退火步骤将四条ＤＮＡ链在??３０秒内从９５摄氏度降至４摄氏度以完成ＤＮＡ四面体的组装．产率高达百分之??９５．?２００９年．Ｙａｎ课题组将一条由２８６个核苷酸组成的ＤＮＡ单链折叠得到了一个??ＤＮＡ四面体如图１－ｌｂ所示．该ＤＮＡ四面体的六条边中．其中五条边设计为??２１个碱基对组成的ＤＮＡ双螺旋．而剩余一条边设计为双重的ＤＮＡ双螺旋结构．??２０１３年．Ｍａｏ课题组通过在ＤＮＡ四面体的边上设计了?ｐＨ响应的ＤＮＡ三螺旋模??块．实现了?ＤＮＡ四面体的组装与解组装［气如图１－ｌｃ？所示．该三螺旋结构能在??ｐＨ为５和８的条件下形成和解离．从而导致了?ＤＮＡ四面体的组装和解组装．２０１４??年．哈佛大学的Ｙｍ课题组利用动力学控制的等温生长法合成了一个ＤＮＡ四面??体％．如图１－ｌｅ所示．在该反应中．他们通过一个规定的分子程序设计了?ＤＮＡ分??子等温自组装的动力学路径．九种共存的ＤＮＡ反应物在ＤＮＡ引发剂分子催化下．??得到了四面体最终产物．２０１５年．Ｍａｏ课题组利用层层自组装策略构建了一个多??层的ＤＮＡ四面体如图１－Ｉｄ所示．每层四面体都包含单链尾端．它们能够互相??杂交，形成连接相邻两层四面体的双链桥．??１??
其中每条边都由ＤＮＡ双螺旋组成，八个ＤＮＡ分支结构恰好构成其顶点．２００９年，??普渡大学的Ｃ．?Ｍａｏ课题组由两种不同类型的三点星状模块组装成了一个ＤＮＡ立??方体［气如图１－３丨）所示．他们利用ＤＮＡ双螺旋的性质，通过控制两个模块之间的??距离为奇数和偶数转，来精确控制ＤＮＡ多面体面的几何形状．２０１４年，麦吉尔大??学的Ｓｌｅｉｍａｎ课题组设计并组装了一个序列响应的动态ＤＮＡ立方体［３３］，如图１－３ｃ??所示．它能够特异性识别前列腺癌细胞中特有的ｔｐｃ－ｈｐｉ？序列，通过链置换反应，导??致整个立方体结构解折叠为平面结构．??ＤＮＡ十二面体??一个规则的正十二面体由１２个正五边形面组成．共有３０条边和２０个顶点．??２００８年，德国鲁尔－波鸿大学的Ｋｉｅｄｒｏｗｓｋｉ课题组利用共价作用将三条短ＤＮＡ单??链连接到有机分子顶点形成三寡核苷酸模块，通过自组装构建了一个ＤＮＡ十二面??体［３４丨，如图ｌ－４ａ所示．同年，Ｍａｏ课题组利用分级自组装策略由三点星状模块合??成了对称的ＤＮＡ十二面体［３５１如图ｌ－４ｂ所示．??３??
??图１－２．?（ａ）?“一条链折叠”的ＤＮＡ八面体（ｂ）共价闭合的ＤＮＡ八面体＿■??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２．?（ａ）?ＤＮＡ?ｏｃｔａｈｅｄｒｏｎ?ｆｏｌｄｅｄ?ｆｒｏｍ?ｓｉｎｇｌｅ?ｓｔｒａｎｄ?网；（ｂ）?Ａ?ｃｏｖａｌｅｎｔｌｙ??ｃｌｏｓｅｄ?ＤＮＡ?ｏｃｔａｈｅｄｒｏｎ?ｌ３０］．??ＤＮＡ立方体??１９９１年．纽约大学的Ｓｅｅｍａｉｉ教授课题组首次利用具有特定黏性末端的ＤＮＡ??分支结构之间的互补配对作用，合成了一个ＤＮＡ立方体结构［３１】，如图ｌ－３ａ所示．??其中每条边都由ＤＮＡ双螺旋组成，八个ＤＮＡ分支结构恰好构成其顶点．２００９年，??普渡大学的Ｃ．?Ｍａｏ课题组由两种不同类型的三点星状模块组装成了一个ＤＮＡ立??方体［气如图１－３丨）所示．他们利用ＤＮＡ双螺旋的性质，通过控制两个模块之间的??距离为奇数和偶数转，来精确控制ＤＮＡ多面体面的几何形状．２０１４年，麦吉尔大??学的Ｓｌｅｉｍａｎ课题组设计并组装了一个序列响应的动态ＤＮＡ立方体［３３］，如图１－３ｃ??所示．它能够特异性识别前列腺癌细胞中特有的ｔｐｃ－ｈｐｉ？序列，通过链置换反应，导??致整个立方体结构解折叠为平面结构．??ＤＮＡ十二面体??一个规则的正十二面体由１２个正五边形面组成．共有３０条边和２０个顶点．??２００８年，德国鲁尔－波鸿大学的Ｋｉｅｄｒｏｗｓｋｉ课题组利用共价作用将三条短ＤＮＡ单??链连接到有机分子顶点形成三寡核苷酸模块
本文编号：2879088
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q523
【部分图文】：
ＤＮＡ四面体??２００５年．Ｔｕｒｂｅｒｆｉｅｌｄ课题组利用一种简便的快速组装方法．用四条ＤＮＡ链合??成了?ＤＮＡ四面体％．如图１－ｌａ所示．他们通过快速退火步骤将四条ＤＮＡ链在??３０秒内从９５摄氏度降至４摄氏度以完成ＤＮＡ四面体的组装．产率高达百分之??９５．?２００９年．Ｙａｎ课题组将一条由２８６个核苷酸组成的ＤＮＡ单链折叠得到了一个??ＤＮＡ四面体如图１－ｌｂ所示．该ＤＮＡ四面体的六条边中．其中五条边设计为??２１个碱基对组成的ＤＮＡ双螺旋．而剩余一条边设计为双重的ＤＮＡ双螺旋结构．??２０１３年．Ｍａｏ课题组通过在ＤＮＡ四面体的边上设计了?ｐＨ响应的ＤＮＡ三螺旋模??块．实现了?ＤＮＡ四面体的组装与解组装［气如图１－ｌｃ？所示．该三螺旋结构能在??ｐＨ为５和８的条件下形成和解离．从而导致了?ＤＮＡ四面体的组装和解组装．２０１４??年．哈佛大学的Ｙｍ课题组利用动力学控制的等温生长法合成了一个ＤＮＡ四面??体％．如图１－ｌｅ所示．在该反应中．他们通过一个规定的分子程序设计了?ＤＮＡ分??子等温自组装的动力学路径．九种共存的ＤＮＡ反应物在ＤＮＡ引发剂分子催化下．??得到了四面体最终产物．２０１５年．Ｍａｏ课题组利用层层自组装策略构建了一个多??层的ＤＮＡ四面体如图１－Ｉｄ所示．每层四面体都包含单链尾端．它们能够互相??杂交，形成连接相邻两层四面体的双链桥．??１??
其中每条边都由ＤＮＡ双螺旋组成，八个ＤＮＡ分支结构恰好构成其顶点．２００９年，??普渡大学的Ｃ．?Ｍａｏ课题组由两种不同类型的三点星状模块组装成了一个ＤＮＡ立??方体［气如图１－３丨）所示．他们利用ＤＮＡ双螺旋的性质，通过控制两个模块之间的??距离为奇数和偶数转，来精确控制ＤＮＡ多面体面的几何形状．２０１４年，麦吉尔大??学的Ｓｌｅｉｍａｎ课题组设计并组装了一个序列响应的动态ＤＮＡ立方体［３３］，如图１－３ｃ??所示．它能够特异性识别前列腺癌细胞中特有的ｔｐｃ－ｈｐｉ？序列，通过链置换反应，导??致整个立方体结构解折叠为平面结构．??ＤＮＡ十二面体??一个规则的正十二面体由１２个正五边形面组成．共有３０条边和２０个顶点．??２００８年，德国鲁尔－波鸿大学的Ｋｉｅｄｒｏｗｓｋｉ课题组利用共价作用将三条短ＤＮＡ单??链连接到有机分子顶点形成三寡核苷酸模块，通过自组装构建了一个ＤＮＡ十二面??体［３４丨，如图ｌ－４ａ所示．同年，Ｍａｏ课题组利用分级自组装策略由三点星状模块合??成了对称的ＤＮＡ十二面体［３５１如图ｌ－４ｂ所示．??３??
??图１－２．?（ａ）?“一条链折叠”的ＤＮＡ八面体（ｂ）共价闭合的ＤＮＡ八面体＿■??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２．?（ａ）?ＤＮＡ?ｏｃｔａｈｅｄｒｏｎ?ｆｏｌｄｅｄ?ｆｒｏｍ?ｓｉｎｇｌｅ?ｓｔｒａｎｄ?网；（ｂ）?Ａ?ｃｏｖａｌｅｎｔｌｙ??ｃｌｏｓｅｄ?ＤＮＡ?ｏｃｔａｈｅｄｒｏｎ?ｌ３０］．??ＤＮＡ立方体??１９９１年．纽约大学的Ｓｅｅｍａｉｉ教授课题组首次利用具有特定黏性末端的ＤＮＡ??分支结构之间的互补配对作用，合成了一个ＤＮＡ立方体结构［３１】，如图ｌ－３ａ所示．??其中每条边都由ＤＮＡ双螺旋组成，八个ＤＮＡ分支结构恰好构成其顶点．２００９年，??普渡大学的Ｃ．?Ｍａｏ课题组由两种不同类型的三点星状模块组装成了一个ＤＮＡ立??方体［气如图１－３丨）所示．他们利用ＤＮＡ双螺旋的性质，通过控制两个模块之间的??距离为奇数和偶数转，来精确控制ＤＮＡ多面体面的几何形状．２０１４年，麦吉尔大??学的Ｓｌｅｉｍａｎ课题组设计并组装了一个序列响应的动态ＤＮＡ立方体［３３］，如图１－３ｃ??所示．它能够特异性识别前列腺癌细胞中特有的ｔｐｃ－ｈｐｉ？序列，通过链置换反应，导??致整个立方体结构解折叠为平面结构．??ＤＮＡ十二面体??一个规则的正十二面体由１２个正五边形面组成．共有３０条边和２０个顶点．??２００８年，德国鲁尔－波鸿大学的Ｋｉｅｄｒｏｗｓｋｉ课题组利用共价作用将三条短ＤＮＡ单??链连接到有机分子顶点形成三寡核苷酸模块
本文编号：2879088
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