Statistical Physics of DNA: Melting and Confinement Effects

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Studier av enstaka makromolekyler gör det möjligt att få insikt i och karakterisera viktiga biologiska processer. DNA, livets molekyl, är av särskilt intresse här. I denna avhandling användar vi metoder från statistisk fysik för att studera olika aspekter av DNA i nanokanaler och dess smältegenskaper. DNA-smältning är inte bara relevant för förståelsen av denna molekyls egenskaper, utan öppnar också upp för tillämpningar såsom grov-kornig identifiering av DNA sekvenser och genotyper, detta genom mätningar av sekvens-känsliga DNA-streckkoder orsakat av lokal DNA-smältning. I artikel I studerar vi hur fluorescerande cirkulära DNA molekyler i en nanokanal vecklas ut till sina linjära konformationer, samt undersöker dessa molekylers jämviktsegenskaper. Detta är av särskild betydelse för analys av bakterie-DNA, som oftast antar cirkulär form. I artikel II analyserar vi långa linjära DNA i meander-formade nanokanaler. Denna typ av kanaler gör det möjligt att studera hela kromosomer i en enda mikroskop-bild. Med hjälp av våra bildanalysverktyg extraherar vi DNA-streckkoder, en följd av osmält fluorescerande DNA regioner och smält mörka regioner, och anpassar dessa experimentalla DNA-streckkoder till teoretiska lokal smältprofiler. I artikel III introducerar vi en grovkorniga metod för beräkningen av teoretiska streckkoder som bygger på identifiering av ett mest sannolikt tillstånd, DNA-"grundtillstånd". Till skillnad från tidigare metoder, behöver vi därför inte summera över alla möjliga konfigurationer. Vi visar att denna metod signifikant minskar beräkningstid och lagringskrav jämfört med tidigare metoder. Artiklarna IV och V handlar om frågan hur smältegenskaper av DNA förändras p.g.a. instängning i en nanokanal. Vi visar, både för en idealiserad och för mer realistiska modeller, att smältövergången breddas och att smälttemperaturen minskar med minskande kanal-diameter för realistiska värden för kanalstorleken och flexibilitetsparametrar för DNA.