Исследование процесса денатурации ДНК на основе модели Пейрара - Бишопа - Доксуа и количественного анализа рекуррентных диаграмм
Автор: Никитюк А.С., Бурмистрова О.С., Наймарк О.Б.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 4 (98) т.26, 2022 года.
Бесплатный доступ
Целью работы является исследование фазового перехода при термической денатурации ДНК методом количественного анализа рекуррентных диаграмм, являющегося наиболее современным и эффективным подходом для анализа сложных систем. Для достижения цели реализуется нелинейная динамическая модель процесса денатурации ДНК, основанная на подходе Пейрара - Бишопа - Доксуа, которая позволяет определять состояние пар оснований ДНК в произвольный момент времени. Далее проводится моделирование динамики ДНК при различных температурах, исследуется эволюция растяжения водородных связей при нагревании ДНК. Для анализа полученных результатов используется метод количественного анализа рекуррентных диаграмм, которые позволяют судить о характере протекающих в системе процессов и представляют особый интерес применительно к изучению нелинейной динамики ДНК, в частности фазовых переходов, поскольку на основе их анализа можно выявить состояния повторения и замирания (ламинарности), совершение экстремальных событий, наличие скрытой периодичности и цикличности. С помощью данного метода анализа производится расчет количественных мер в окне, сдвигаемом вдоль главной диагонали рекуррентной диаграммы. Данные меры количественно определяют мелкомасштабные структуры рекуррентной диаграммы. При расчетах выявляются наиболее чувствительные к анализу исследуемого процесса меры, с помощью которых определяются предвестники фазового перехода.
Днк, открытые состояния, динамика открытых состояний, денатурация, фазовый переход, рекуррентная диаграмма, количественный анализ рекуррентных диаграмм
Короткий адрес: https://sciup.org/146282609
IDR: 146282609 | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.4.03
Список литературы Исследование процесса денатурации ДНК на основе модели Пейрара - Бишопа - Доксуа и количественного анализа рекуррентных диаграмм
- Alexandrov B.S., Gelev V., Monisova Y., Alexandrov L.B., Bishop A.R., Rasmussen K.O., Usheva A. A nonlinear dynamic model of DNA with a sequence-dependent stacking term // Nucleic Acids Research. -2009. - Vol. 37. - P. 2405-2410.
- Causo M.S., Coluzzi B., Grassberger P. Simple model for the DNA denaturation transition // Physical Review E. - 2000. - Vol. 62. - P. 3958-3973.
- Dauxois T., Peyrard, M., Bishop, A.R. Dynamics and thermodynamics of a nonlinear model for DNA denatur-ation // Physical Review E. - 1993. - Vol. 47(1). - P. 684.
- Dauxois T., Peyrard M., Bishop A.R. Entropy-driven DNA denaturation // Physical Review E. - 1993. - Vol. 47(1). - P. R44.
- Fitzpatrick M., Sundaresan N.M., Li A.C., Koch J., Houck A.A. Observation of a dissipative phase transition in a one-dimensional circuit QED lattice // Physical Review X. - 2017. - Vol. 7(1). - Art. 011016.
- Hall A.C., Ostrowski L.A., Mekhail K. Phase separation as a melting pot for DNA repeats // Trends in Genetics. -2019. - Vol. 35(8). - P. 589-600.
- Hillebrand M., Kalosakas G., Schwellnus A., Skokos C. Heterogeneity and chaos in the Peyrard-Bishop-Dauxois DNA model // Physical Review E. - 2019. - Vol. 99(2). - Art. 022213.
- Inman R.B., Baldwin R.L. Helix-random coil transitions in DNA homopolymer pairs // J. Mol. Biol. - 1964. -Vol. 8. - P. 452-469.
- Likhachev I.V., Lakhno V.D. The direct investigation of DNA denaturation in Peyrard-Bishop-Dauxois model by molecular dynamics method // Chemical Physics Letters. - 2019. - Vol. 727. - P. 55-58.
- Longhi S. Topological phase transition in non-Hermitian quasicrystals // Physical review letters. - 2019. - Vol. 122(23). - Art. 237601.
- Lopes M.A. Recurrence quantification analysis of dynamic brain networks // European Journal of Neuroscience. - 2021. - Vol. 53. - no. 4. - P. 10401059.
- Cadoni M., de Leo R., Demelio S., Gaeta G. Propagation of twist solitons in fully inhomogeneous DNA chains // Journal of Nonlinear Mathematical Physics. - 2010. -Vol. 17(4). - P. 557-569.
- Marwan N. Recurrence plots for the analysis of complex systems // Physics reports. - 2007. - Vol. 438. - no. 5-6. - P. 237-329.
- Poland D., Scheraga H.A. Occurrence of a phase transition in nucleic acid models // The Journal of Chemical Physics. - 1966. - Vol. 45. - P. 1464-1469.
- Poland D., Scheraga H.A. Phase transitions in one dimension and the helix-coil transition in polyamino acids // The Journal of Chemical Physics. - 1966. - Vol. 45. -P. 1456-1463.
- Ramdani S., Boyer A., Caron S., Bonnetblanc F., Bou-chara F., Duffau H., Lesne A. Parametric recurrence quantification analysis of autoregressive processes for pattern recognition in multichannel electroencephalo-graphic data // Pattern Recognition. - 2021. - Vol. 109. - Art. 107572.
- Ritort F. Single-molecule experiments in biological physics: methods and applications // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2006. - Vol. 18(32). - P. R531.
- Shigaev A.S., Ponomarev O.A., Lakhno V.D. Theoretical and experimental investigations of DNA open states // arXiv preprint arXiv. - 2014. - Art. 1402.6533.
- Nose S. A unified formulation of the constant temperature molecular dynamics methods // The Journal of Chemical Physics. - 1984. - Vol. 81, no. 1. - P.511-519.
- Theodorakopoulos N., Dauxois T., Peyrard M. Order of the phase transition in models of DNA thermal denatura-tion // Physical Review Letters. - 2000. - Vol. 85(1). -P. 6.
- Wartell R.M., Benight A.S. Thermal denaturation of DNA molecules: a comparison of theory with experiments // Phys. Rep. - 1985. - Vol. 126. - P. 67-107.
- Zou Y., Donner R.V., Marwan N., Donges J.F., Kurths J. Complex network approaches to nonlinear time series analysis // Physics Reports. - 2019. - Vol. 787. - P. 197.
