دنیای نانو

دنیای نانو

مقایسه رفتار خمش نانو تیر DNA اریگامی با استفاده از روش تئوری غیرخطی و شبیه‌سازی دینامیک مولکولی هدایت‌شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک دانشگاه فردوسی مشهد
2 گروه مهندسی مکانیک دانشگاه حکیم سبزواری
چکیده
در دوران اخیر، به دلیل توسعه سریع سیستم‌های بیولوژیکی، تحلیل و مطالعه‌ی سیستم‌های بیولوژیکی به یک موضوع پررنگ تبدیل شده است. یکی از اصولی‌ترین جنبه‌ها در مطالعه این سیستم‌ها، تحلیل خواص مکانیکی است. در این مقاله، تحلیل رفتار خمشی تیر یک‌سرگیردار DNA اریگامی مورد بررسی قرار گرفته است. تحلیل این رفتار با استفاده از دو روش مهم، شبیه‌سازی دینامیک مولکولی هدایت شده و تئوری غیرخطی، انجام شده است. ابتدا، مدل تیری از DNA اریگامی طراحی و ایجاد شده است. سپس، دو روش مختلف برای بررسی تغییرات خیز در این تیر مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در روش اول، از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی هدایت شده بهره‌گرفته شده و تغییرات خیز مورد ارزیابی قرار گرفته است. در روش دوم، با تحلیل تئوری غیرخطی، روابط مربوط به تغییر شکل‌های بزرگ در تیر DNA اریگامی به دست آمده است. در نهایت، تغییرات خیز برای این حالت نیز با استفاده از روابط تئوری غیرخطی مشخص شده است. این مقاله نشان می‌دهد که نتایج دو روش از تناسب بسیار خوبی برخوردار هستند در نتیجه استفاده از روش تئوری غیرخطی می‌تواند در مطالعه‌ی دینامیک مولکولی به منظور کاهش هزینه‌های محاسباتی و آزمایشگاهی در تحلیل مکانیکی مواد بیولوژیکی مؤثر باشد. همچنین، روش تئوری غیرخطی می‌تواند برای بررسی خواص مکانیکی سیستم‌های بیولوژیکی به منظور نوآوری در پژوهش‌های مرتبط با طراحی و ساخت این نوع سیستم‌ها، از اهمیت بالایی برخوردار باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Comparison of the bending behavior of DNA origami Nano beam using the nonlinear theory method and steered molecular dynamics simulation

نویسندگان English

Sadegh Dastorani 1
Mahmoud Shariati 1
Reza Hasanzadeh Ghasemi 2
1 Department of Mechanical Engineering, Ferdowsi University of Mashhad
2 Department of Mechanical Engineering, Hakim Sabzevari University
چکیده English

In recent times, due to the rapid development of biological systems, the analysis and study of biological systems has become a hot topic. One of the most fundamental aspects of the study of these systems is the analysis of mechanical properties. In this article, the analysis of the bending behavior of the DNA origami cantilever beam has been investigated. The analysis of this behavior has been done using two important methods, steered molecular dynamics simulation and nonlinear theory. First, a model of a DNA origami beam is designed and modeled. Then, two different methods have been used to check the changes in the deflection in this beam. In the first method, the steered molecular dynamics simulation is used and the changes in deflection are evaluated. In the second method, by analyzing the nonlinear theory, the relationships related to large deformations in the DNA origami beam have been obtained. Finally, the variation of the deflection for this mode has also been specified using nonlinear theoretical relations. This article shows that the results of the two methods have a very good Validation, as a result, the use of the nonlinear theory method can be effective in the study of molecular dynamics in order to reduce computational and laboratory costs in the mechanical analysis of biological materials. Also, the nonlinear theory method can be of great importance for investigating the mechanical properties of biological systems for innovation in research related to the design and construction of these types of systems.

کلیدواژه‌ها English

DNA origami beam
deflection
nonlinear theory
steered molecular dynamics simulation
[1] S. Dey et al., “DNA origami,” Nature Reviews Methods Primers, vol. 1, no. 1. Springer Science and Business Media LLC, Jan. 28, 2021. doi: 10.1038/s43586-020-00009-8.
[2] B. Saccà and C. M. Niemeyer, “DNA Origami: The Art of Folding DNA,” Angewandte Chemie International Edition, vol. 51, no. 1. Wiley, pp. 58–66, Dec. 07, 2011. doi: 10.1002/anie.201105846.
[3] V. Linko and H. Dietz, “The enabled state of DNA nanotechnology,” Current Opinion in Biotechnology, vol 24, no. 4. Elsevier BV, pp. 555–561, Aug. 2013. doi: 10.1016/j.copbio.2013.02.001.
[4] S. Dastorani, R. H. Ghasemi, and R. Soheilifard, “A Study on the Bending Stiffness of a New DNA Origami Nano-Joint,” Molecular Biotechnology, vol. 63, no. 11. Springer Science and Business Media LLC, pp. 1057–1067, Jul. 05, 2021. doi: 10.1007/s12033-021-00367-y.
[5] S. Dastorani, M. Mogheiseh, R. H. Ghasemi, and R. Soheilifard, “Modelling and structural investigation of a new DNA Origami based flexible bio-nano joint,” Molecular Simulation, vol. 46, no. 13. Informa UK Limited, pp. 994–1003, Jul. 26, 2020. doi: 10.1080/08927022.2020.1797019.
[6] دستورانی، صادق، حسن زاده قاسمی، رضا. مدل‌سازی و بررسی رفتار DNA اریگامی مثلثی تحت تاثیر دمای آزمایشگاهی. علم و فناوری در مهندسی مکانیک، ۱۴۰۱؛ ۱۱(۱): ۵۸-۶۹. doi: 10.22034/stme.2022.162701.
[7] M. Langecker et al., “Synthetic Lipid Membrane Channels Formed by Designed DNA Nanostructures,” Science, vol. 338, no. 6109. American Association for the Advancement of Science (AAAS), pp. 932–936, Nov. 16, 2012. doi: 10.1126/science.1225624.
[8] R. Khosravi, R. H. Ghasemi, and R. Soheilifard, “Design and Simulation of a DNA Origami Nanopore for Large Cargoes,” Molecular Biotechnology, vol. 62, no. 9. Springer Science and Business Media LLC, pp. 423–432, Jul. 04, 2020. doi: 10.1007/s12033-020-00261-z.
[9] S. M. Douglas, I. Bachelet, and G. M. Church, “A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads,” Science, vol. 335, no. 6070. American Association for the Advancement of Science (AAAS), pp. 831–834, Feb. 17, 2012. doi: 10.1126/science.1214081.
[10] R. M. Zadegan et al., “Construction of a 4 Zeptoliters Switchable 3D DNA Box Origami,” ACS Nano, vol. 6, no. 11. American Chemical Society (ACS), pp. 10050–10053, Oct. 08, 2012. doi: 10.1021/nn303767b.
[11] M. Mogheiseh, E. Etemadi, and R. Hasanzadeh Ghasemi, “Design, molecular dynamics simulation, and investigation of the mechanical behavior of DNA origami nanotubes with auxetic and honeycomb structures,” Journal of Biomolecular Structure and Dynamics. Informa UK Limited, pp. 1–10, Mar. 08, 2023. doi: 10.1080/07391102.2023.2186719.
[12] S. M. Douglas, J. J. Chou, and W. M. Shih, “DNA-nanotube-induced alignment of membrane proteins for NMR structure determination,” Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 104, no. 16. Proceedings of the National Academy of Sciences, pp. 6644–6648, Apr. 17, 2007. doi: 10.1073/pnas.1408869112.
[13] A. E. Marras, L. Zhou, H.-J. Su, and C. E. Castro, “Programmable motion of DNA origami mechanisms,” Proceedings of the National Academy of Sciences, vol 112, no. 3. Proceedings of the National Academy of Sciences, pp. 713–718, Jan. 05, 2015. doi: 10.1073/pnas.1408869112.
[14] C. E. Castro, H.-J. Su, A. E. Marras, L. Zhou, and J. Johnson, “Mechanical design of DNA nanostructures,” Nanoscale, vol. 7, no. 14. Royal Society of Chemistry (RSC), pp. 5913–5921, 2015. doi: 10.1039/c4nr07153k.
[15] L. Zhou, A. E. Marras, H.-J. Su, and C. E. Castro, “DNA Origami Compliant Nanostructures with Tunable Mechanical Properties,” ACS Nano, vol. 8, no. 1. American Chemical Society (ACS), pp. 27–34, Dec. 24, 2013. doi: 10.1021/nn405408g.
[16] C. Bustamante, J. F. Marko, E. D. Siggia, and S. Smith, “Entropic Elasticity of λ-Phage DNA,” Science, vol. 265, no. 5178. American Association for the Advancement of Science (AAAS), pp. 1599–1600, Sep. 09, 1994. doi: 10.1126/science.8079175.
[17] D. J. Kauert, T. Kurth, T. Liedl, and R. Seidel, “Direct Mechanical Measurements Reveal the Material Properties of Three-Dimensional DNA Origami,” Nano Letters, vol. 11, no. 12. American Chemical Society (ACS), pp. 5558–5563, Nov. 08, 2011. doi: 10.1021/nl203503s.
[18] C. Plesa et al., “Ionic Permeability and Mechanical Properties of DNA Origami Nanoplates on Solid-State Nanopores,” ACS Nano, vol. 8, no. 1. American Chemical Society (ACS), pp. 35–43, Dec. 05, 2013. doi: 10.1021/nn405045x.
[19] J. Ji, D. Karna, and H. Mao, “DNA origami nanomechanics,” Chemical Society Reviews, vol. 50, no. 21. Royal Society of Chemistry (RSC), pp. 11966–11978, 2021. doi: 10.1039/d1cs00250c.
[20] Y. Xin et al., “Environment-Dependent Stability and Mechanical Properties of DNA Origami Six-Helix Bundles with Different Crossover Spacings,” Small, vol. 18, no. 18. Wiley, p. 2107393, Apr. 2022. doi: 10.1002/smll.202107393.
[21] Li R, Madhvacharyula AS, Du Y, Adepu HK, Choi JH. Mechanics of dynamic and deformable DNA nanostructures. Chem Sci 2023;14:8018–46. https://doi.org/10.1039/d3sc01793a
[22] Lee JY, Lee JG, Yun G, Lee C, Kim Y-J, Kim KS, et al. Rapid Computational Analysis of DNA Origami Assemblies at Near-Atomic Resolution. ACS Nano 2021;15:1002–15. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c07717
[23] Wang Y, Kucinic A, Des Rosiers L, Beshay PE, Wile N, Hudoba MW, et al. Mechanical Design of DNA Origami in the Classroom. Applied Sciences 2023;13:3208. https://doi.org/10.3390/app13053208
[24] W. Helfrich, Z. Naturforsch. c 28, 693 (1973).
[25] J. Yoo and A. Aksimentiev, “In situ structure and dynamics of DNA origami determined through molecular dynamics simulations,” Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 110, no. 50. Proceedings of the National Academy of Sciences, pp. 20099–20104, Nov. 25, 2013. doi: 10.1073/pnas.1316521110.
[26] P. Wang, T. A. Meyer, V. Pan, P. K. Dutta, and Y. Ke, “The Beauty and Utility of DNA Origami,” Chem, vol. 2, no. 3. Elsevier BV, pp. 359–382, Mar. 2017. doi: 10.1016/j.chempr.2017.02.009.
[27] Lifeng Zhou, ‘Design Modeling and Analysis of Compliant and Rigid-Body DNA Origami Mechanisms’, PhD Thesis, The Ohio State University, (2017).
[28] S. Ghuku and K. Nath Saha, “A theoretical and experimental study on geometric nonlinearity of initially curved cantilever beams,” Engineering Science and Technology, an International Journal, vol. 19, no. 1. Elsevier BV, pp. 135–146, Mar. 2016. doi: 10.1016/j.jestch.2015.07.006.
[29] K. E. Bisshopp and D. C. Drucker, “Large deflection of cantilever beams,” Quarterly of Applied Mathematics, vol. 3, no. 3. American Mathematical Society (AMS), pp. 272–275, 1945. doi: 10.1090/qam/13360.
[30] T. M. Wang, “Nonlinear bending of beams with concentrated loads,” Journal of the Franklin Institute, vol. 285, no. 5. Elsevier BV, pp. 386–390, May 1968. doi: 10.1016/0016-0032(68)90486-9.
[31] Demeter G. Fertis, (2008), Nonlinear Structural Engineering, Springer (August 31), 352 pages.
[32] Y. A. Antipov, “Nonlinear bending models for beams and plates,” Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 470, no. 2170. The Royal Society, p. 0140064, Oct. 08, 2014. doi: 10.1098/rspa.2014.0064.
[33] T. Beléndez, C. Neipp, and A. Beléndez, “Large and small deflections of a cantilever beam,” European Journal of Physics, vol. 20, no. 3. IOP Publishing, pp. 371–379, May 01, 2002. doi: 10.1088/0143-0807/23/3/317.
[34] S. K. Gupta, A. McEwan, and I. Lukačević, “Elasticity of DNA nanowires,” Computational and Theoretical Chemistry, vol. 1125, pp. 111–117, 2018.
دوره 19، شماره 73
زمستان 1402
صفحه 54-45

  • تاریخ دریافت 12 مهر 1402
  • تاریخ بازنگری 17 دی 1402
  • تاریخ پذیرش 02 بهمن 1402