Theoretical Description of the DNA Overstretching Transition

Abstract

The transcription of DNA caused by external factors is a highly complex phenomenon. The theoretical background of this subtle mechanism is still partly unknown. However, this process is fundamental for DNA to be able to transcript the genetic code to RNA. It is interesting to notice that the opening mechanism of DNA is closely related to this transcription process. In living cells this mechanism is driven by different kind of catalyst molecules, whereas experimentally it is achieved by mechanically pulling DNA from its one end while keeping it fixed from the other.

In this Thesis we derive a theoretical model to describe the experimentally found DNA force-induced denaturation. During this transition, DNA abruptly increases its length by a factor of 1.5 - 2 when being pulled by an external force. We are able to calculate the response of DNA to the external stretching force, i.e. the force-extension relation. Using this theoretical model it is possible to predict the overstretching transition found in experiments.

Using the theoretical description, we have been able to characterise the physical properties of DNA chain in two length scales; mesoscopic and microscopic. In mesoscopic length scales DNA is described as a semi flexible self-interacting rod-like polymer chain. This description takes into account the elastic properties of DNA specifying its bending and stretching moduli. From microscopic point of view DNA is seen as a one-dimensional chain consisting of base pairs. For each base-pair we attach a state variable, which leads us to the one-dimensional Ising model description of internal structure.

The final picture of DNA consists of both mesoscopic and microscopic characters. This combined model is able to explain the overstretching transition reasonably well. Furthermore, our theoretical model is able to predict the transition force as a function of salt concentration of the surrounding solvent. This novel relation has not been derived in earlier studies concerning DNA.

Ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta tapahtuva DNA-ketjun monistuminen eli transkriptio on monimutkainen ilmiö, jonka teoreettinen tausta on osittain vieläkin tuntematon. Kuitenkin tämä ilmiö on elintärkeä mekanismi elävässä solussa. Se mahdollistaa DNA:n emäsjärjestykseen sisältyvän geneettisen tiedon kopioimisen syntyviin RNA-ketjuihin, On kiinnostavaa huomata, että DNA:n kaksoiskierteen avautumismekanismi on läheisesti liitoksissa transkriptioon. Kaksoiskierteen avautuminen kahdeksi erilliseksi nukleotidiketjuksi on mahdollista saavuttaa myös kokeellisesti. Kyseisissä kokeissa DNA-ketju kiinnitetään toisesta päästä ja sitä mekaanisesti vedetään toisesta, kunnes sidokset katkeavat ja ketju avautuu.

Tässä diplomityössä on johdettu teoreettinen malli kuvaamaan tätä kokeellisesti havaittavaa ylivenymätransitiota. DNA-ketjulle on laskettu tilanyhtälö, joka antaa ketjun venymän ulkoisen voiman funktiona, eli DNA:n voima-venymä relaation. Tilanyhtälöstä on teoreettisesti mahdollista ennustaa luonnossa havaittava ylivenymätransitio.

Teoreettisissa tarkasteluissa on keskitytty DNA:n karakterisointiin kahdessa eri mittaskaalassa; mesoskooppisessa ja mikroskooppisessa. Mesoskooppisessa mittaskaalassa DNA kuvataan elastiseksi polymeeriketjuksi. joka vuoro vaikuttaa itsensä kanssa sähköstaattisen potentiaalin välityksellä. Sen sijaan mikroskooppisessa skaalassa DNA kuvataan yksiulotteisena ketjuna. jonka hienorakenne muodostuu kaksoisjuostetta kiinnipitävistä vetysidoksista, Tässä tarkastelussa vetysidoksia kuvataan tilamuuttujilla. mikä johtaa Isingin mallin tyyppiseen kuvaustapaan.

DNA-ketjun lopullinen malli koostuu sekä mesoskooppisesta että mikroskooppisesta osasta. Tämä yhdistetty malli pystyy kuvaamaan kokeissa havaitun avautumismekanismin hyvin tarkasti. Erityisesti malli pystyy ennustamaan transitiovoiman ympäröivän nesteen suolakonsentraation funktiona, mikä on yksi työn päätuloksista. Tätä relaatiota ei ole kyetty johtamaan teoreettisesti aikaisemmissa tutkimuksissa.