ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- NGUYỄN VĂN THÙY NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG BÀI TOÁN VỀ TĨNH ĐIỆN CỦA PHÂN TỬ ADN TRONG DUNG DỊCH MUỐI ION 2+... ĐẠI HỌC QUỐC
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
NGUYỄN VĂN THÙY
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG BÀI TOÁN
VỀ TĨNH ĐIỆN CỦA PHÂN TỬ ADN TRONG DUNG DỊCH MUỐI
ION 2+
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – 2015
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
NGUYỄN VĂN THÙY
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG BÀI TOÁN VỀ TĨNH ĐIỆN CỦA
PHÂN TỬ ADN TRONG DUNG DỊCH MUỐI ION 2+
Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết và vật lí toán
Mã số: 60 44 01 03
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THẾ TOÀN
Hà Nội – 2015
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn “Nghiên cứu và mô phỏng bài toán về tĩnh điện của
phân tử ADN trong dung dịch muối ion 2+ ”, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới
TS Nguyễn Thế Toàn – Giảng viên Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, người đã tận tình hướng dẫn, trang bị những kiến thức cơ bản và động viên trong suốt quá trình em thực hiện luận văn
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thày cô giáo trong bộ môn Vật lý
lý thuyết – Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã trang bị những kiến thức chuyên môn cần thiết và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn này
Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện của ban chủ nhiệm khoa Vật Lí, phòng Sau Đại học trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn quỹ Nafosted đề tài số 103.02-2012.75
đã tài trợ kinh phí để giúp em hoàn thành nghiên cứu này
Cuối cùng em xin gửi những lời cảm ơn tới gia đình, cơ quan và các bạn bè
đã luôn sát cánh, giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình em học tập và hoàn thành luận văn
Hà Nội, tháng 6 năm 2015 Học viên thực hiện
Trang 4
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1- MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA PHÂN TỬ ADN, VIRUS VÀ BÀI TOÁN
PHÓNG ADN RA KHỎI VIRUS Error! Bookmark not defined
1.1 Tổng quan về ADN Error! Bookmark not defined
1.1.1 Cấu trúc hóa học của phân tử ADN Error! Bookmark not defined
1.1.2 Cấu trúc không gian của phân tử ADN Error! Bookmark not defined
1.2.Tổng quan về virus Error! Bookmark not defined
1.2.1.Cấu trúc cơ bản của virus Error! Bookmark not defined
1.2.2.Chu kì sống của virus Error! Bookmark not defined
1.3 Bài toán phóng ADN ra khỏi virus Error! Bookmark not defined
CHƯƠNG 2-CÁC LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN CHO DUNG DỊCH Error! Bookmark not defined
2.1 Phương trình trường trung bình Poisson-Boltzmann và lý thuyết tĩnh điện Debye-Huckel.Error! Bookmark not defined 2.1.1 Phương trình Poisson-Boltzmann Error! Bookmark not defined
2.1.3 Tuyến tính hóa phương trình Poison – Boltzmann (PB) – Phương trình Debye – Huckel
(DH).……… E
rror! Bookmark not defined.
2.1.4 Áp dụng phương trình Debyle-Huckel để tính thế năng quanh một hình trụ tích điện.Error! Bookmark not defined
2.2 Lý thuyết tĩnh điện tương quan mạnh và sự đảo dấu điện tích bởi các phản ion đa hóa trịError! Bookmark not defined
CHƯƠNG 3-PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO Error! Bookmark not defined
3.1 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo và thuật toán Metropolis Error! Bookmark not defined
3.1.1 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo Error! Bookmark not defined
3.1.2 Điều kiện cân bằng chi tiết Error! Bookmark not defined
3.1.3 Thuật toán Metropolis Error! Bookmark not defined
3.2 Lý thuyết mô phỏng Monte Carlo hệ vĩ chính tắc Error! Bookmark not defined
3.3 Cách tính áp suất và năng lượng tự do bằng phương pháp tập hợp thống kê mở rộngError! Bookmark not defined
CHƯƠNG 4- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG HỆ ADNError! Bookmark not defined
4.1 Lý thuyết đảo dấu điện tích áp dụng cho bài toán phóng ADN ra khỏi virusError! Bookmark not defined
4.1.1 Lý thuyết tính toán số lượng ADN phóng ra khỏi virus Error! Bookmark not defined
4.1.2.Kết quả việc khớp lý thuyết với số liệu thực nghiệm của việc phóng ADN ra khỏi
virus …… Error! Bookmark not defined
4.2 Mô phỏng hệ ADN Error! Bookmark not defined
Trang 54.2.1 Mô hình hệ ADN Error! Bookmark not defined 4.2.2 Kết quả mô phỏng Error! Bookmark not defined 4.2.2.1.Sự đảo dấu điện tích ADN bởi các phản ion đa hóa trị Error! Bookmark not defined
4.2.2.2 Tương tác hiệu dụng giữa ADN và ADN khi có mặt phản ion ở dung dịch và năng
lượng tự do của quá trình gói ADN vào trong virus Error! Bookmark not defined
KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 3 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined
Trang 6DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc 4 loại base của phân tử ADN
Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của phân tử ADN
Hình 1.3 Cấu trúc xoắn kép của ADN
Hình 1.4 Một số cấu trúc dạng xoắn của ADN
Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản của virus
Hình 1.6 Đối xứng icosahedron của vỏ virus CCMV
Hình 1.7 Cấu trúc đối xứng của virus
Hình 1.8 Chu kì sống điển hình của virus
Hình 1.9 Phần trăm số lượng ADN phóng ra khỏi virus phụ thuộc nồng độ P.E.G Hình 1.10 Đồ thị biểu diễn phần trăm số lượng ADN phóng ra khỏi virus phụ
thuộc áp suất thẩm thấu (tỉ lệ với nồng độ P.E.G)
Hình 1.11 Đồ thị biểu diễn phần trăm số lượng ADN phóng ra khỏi virus phụ
thuộc nồng độ muối Na+ tại áp suất thẩm thấu 3.5 atm
Hình 1.12 Đồ thị biểu diễn phần trăm số lượng ADN phóng ra khỏi virus phụ
thuộc nồng độ muối ion đa trị
Hình 3.1 Giản đồ phương pháp mô phỏng Monte Carlo
Hình 4.1 Mô hình phân tử ADN bên trong vỏ virus
Hình 4.2 Mô hình cấu trúc mạng ADN
Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn áp suất thẩm thấu phụ thuộc khoảng cách giữa các ADN
với các nồng độ muối 2+ khác nhau
Trang 7Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn áp suất thẩm thấu phụ thuộc khoảng cách giữa các ADN
với các nồng độ muối ion 2+ khác nhau
Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn năng lƣợng đóng gói ADN phụ thuộc nồng độ muối ion
2+
Bảng 1 Thế hóa của hệ muối 2+ và 1+
Trang 8BẢNG DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
STT Viết tắt Cụm từ viết tắt
Trang 9
1
MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài
ADN được biết đến là một phân tử axit nucleic mang thông tin di truyền mã hóa cho mọi hoạt động sinh trưởng và phát triển của các dạng sống bao gồm cả virus Trong các cơ thể sống ADN có thể được tìm thấy trong nhân tế bào hoặc trong tế bào chất Tại đó, ADN tham gia vào các quá trình tổng hợp, điều tiết số lượng protein, sinh trưởng phát triển và hoạt động di truyền qua các thế hệ Chính vì vậy, ADN (axit deoxyribonucleic ) đóng vai trò quan trọng trong mọi hoạt động của các cơ thể sống và một trong những lĩnh vực quan trọng của nghiên cứu ADN hiện
nay là di truyền học và y học
Với việc khám phá ra những đặc tính của ADN sẽ giúp chúng ta có khả năng phát hiện những gene hỏng giúp chuẩn đoán, điều trị bệnh sớm hơn và có thể tìm ra được những phương pháp điều trị mới hiệu quả hơn bằng cách thay thế hoặc sửa
chữa những gene hỏng đó Lĩnh vực trị liệu gene này đang phát triển với một tốc độ
nhanh chóng đòi hỏi nghiên cứu khoa học từ nhiều khía cạnh: sinh học, vật lý, hóa học và toán tin học Một trong những phương pháp đang được quan tâm đó là việc đưa gene vào tế bào bằng cách sử dụng các virus chứa ADN Trong phương pháp này người ta có thể đưa phân tử ADN chứa gene vào trong vỏ virus rồi sử dụng các
cơ chế thâm nhập của virus để đưa gene vào tế bào cần thay đổi gene
Trong môi trường nước, ADN là 1 phân tử tích điện âm mạnh Do đó các tương tác tĩnh điện đóng vai trò quan trọng trong các cấu trúc, chức năng của ADN Tương tác tĩnh điện cũng là một trong các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phóng ADN ra khỏi virus và xâm nhập vào tế bào Cụ thể là khi thay đổi nồng độ của muối ion đa trị có trong môi trường dung dịch, có một nồng độ phản ion 2+ tối ưu có thể hạn chế tối đa việc phóng ADN ra khỏi virus Các nồng độ phản ion 2+ cao hơn hoặc thấp hơn nồng độ tối ưu thì phân tử ADN muốn được giải phóng ra khỏi virus nhiều hơn Thực tế là các phản ion 2+ có ảnh hưởng mạnh như vậy tới quá trình
Trang 102
phóng ADN là rất không tầm thường Thực nghiệm cho thấy các ion 2+ không thể ngưng tụ hoặc chỉ ngưng tụ một phần các ADN Nhưng đối với ADN đóng gói trong vỏ virus thì ion 2+ có ảnh hưởng rất mạnh Chính vì môi trường rất cá biệt ADN trong virus ở đó ADN được đưa sẵn vào trong bởi một protein động cơ nên muối ion 2+ mới có thể phát huy tối đa ảnh hưởng của chúng
Với mong muốn nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số hiệu ứng tĩnh điện lên phân tử ADN và đưa ra kết quả ảnh hưởng của muối ion 2+ lên quá trình phóng ADN ra khỏi virus phục vụ cho nghiên cứu y học và di truyền học là lý do tác giả
chọn đề tài “ Nghiên cứu và mô phỏng bài toán về tĩnh điện của phân tử ADN trong
dung dịch muối ion 2+ ”
2 Phương pháp nghiên cứu
Trong bài toán phóng ADN ra khỏi virus, chúng tôi sẽ tập trung xem xét ảnh hưởng của muối 2+ lên tương tác hiệu dụng giữa giữa các phân tử ADN Chúng tôi
sử dụng 2 phương pháp khác nhau để nghiên cứu tương tác hiệu dụng này Đó là:
1 Phương pháp giải tích dùng lý thuyết tĩnh điện tương quan mạnh
2 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo cho hệ vĩ chính tắc
3 Bố cục của luận văn
Ngoài phần mục lục và mở đầu, nội dung chính của luận văn gồm:
Chương 1.Một số tính chất vật lý của phân tử ADN, Virus và bài toán phóng ADN ra khỏi virus
Nội dung của chương 1 luận văn trình bày trình bày cấu trúc hóa học của ADN, cấu trúc cơ bản của virus và giới thiệu về bài toán phóng ADN ra khỏi virus
Chương 2 Các lý thuyết tĩnh điện cho dung dịch
Trong chương 2, chúng tôi giới thiệu về lý thuyết tĩnh điện của dung dịch và
PE, thiết lập phương trình trường trung bình tự hợp (phương trình Poisson – Boltzmann) và giải phương trình Debye – Huckel cho trường hợp dây ADN được
Trang 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Adams, D J., (1974), Mol Phys 28, 1241
2 Baker, T.S., Olson, N.H., Fuller, S.D., (1999), “Adding the third dimension to virus life cycle: three-dimensional reconstruction of
icosahedral viruses from cryo-electron micrographs”, Microbiol Mol
Biol Rev 63, 862
3 Besteman, K., Eijk, K.V., Lemay, S.G , (2007), “Charge inversion
accompanies DNA condensation by multivalent ion”, Nat Phys 3, 641
4 Black, L.W., (1989), “DNA packaging in dsDNA bacteriophages”, Annu
Rev Mirobiol 43, 267
5 Bruinsma, R., (1998), “Electostatics of DNA-Cationic lipid complexes :
isoelectric instability”, Eur Phys J B 4, 75
6 Castelnovo, M., Bowles, R.K., Reiss, H., Gelbart, W.M., (2003),
“Osmotic force resisting chain insertion in a colloidal suspension”, Eur
Phys J E 10 , 191
7 Chapman.D.L., (1913), Philos Mag., 25, 475
8 Debye P.W., H¨uckel E., (1923), Z Phys 24, 185
9 Evilevitch, P.K., Castelnovo, M., Knobler, C.M., Gelbart, W.M., (2004),
“Measuring the force ejecting DNA from phage”, J Phys Chem B 108,
6838
10 Evilevitch, P.K., A., Fang, L.T., Yoffe, A.M., Castelnovo, M., Rau, D.C, Parsegian, V.A, Gelbart, W.M., Knobler, C.M., (2008), “Effects of salt concentration ADN bending energy on the extent of ejection of phage
geneomes”, Biophys J 94, 1110
Trang 124
11 Evilecitch, A., Lavelle, L., Knober, C.M., Raspaund, E., Gelbart, W.M., (2003), “Osmotic pressure inhibition of DNA ejection from phage”,
Proc.Natl Acad Sci U S A 100 , 9292
12 Fuller, D.N., Rickgaer, J.P, jardine, P.J., Grimes, S., ADNerson, D.L., Smith, D.E., (2007), “Ionic effects on viral DNA packaging anf portal
motor function in bacteriophage phi29”, Proc Natl Acad Sci U S A
104, 11245
13 Gelbarth, W.M., Bruinsma, R.F., Pincus, P.A., Parsegian, A.V., (2000),
“DNA-inspired electrostatics” Phys Today 53, 38
14 Gronbech-Jensen, N., Mashl, R.J., Bruinsma, R.F., Gelbart, W.M., (1997),
“Counterion-induced attraction between rigid polyelectrolytes”, Phys Rev Lett 78, 24772480
15 Grosberg A.Y., Nguyen, T.T., Shklovkii, B., (2002), “Low temperature physics at room temperature in water: charge inversion in chemical ADN
biological system”, Rev Mod Phys 74, 329
16 GuldbrADN, L., Nilsson, L.G., Nordenskiold, L., (1986), “A Monte Carlos simulation study of electrostatic forces between hexagonally
packed DNA double helices”, J Chem Phys 85, 6686
17 Ha B.-Y., Thirumalai D., (1995), Macromolecules,28, 577
18 Hammersley, J M., HADNscomb, D C., (1964), “Monte Carlo Methods”, (Methuen, London)
19 Hsiao, P.-Y., Luijten, E., (2006), “Salt-induced collapse ADN reexpansion
of highly charged flexible polyelec-trolytes” Phys Rev Lett 97, 148301
20 Hsu H.-P., Paul W., Binder K., (2010), “StADNard Definitions of Persistence Length Do Not Describe the Local Intrinsic Stiffness of Real
Polymer Chains”, Macromolecules, Vol.43, p 3094-3102.
21 Hud, N.V., Downing, K.H., (2001), “Cryoelectron microscopy of λ phage DNA condenstates in vitreous ice: the fine structural of DNA toroids”,
Pro Natl Acad.Sci U S A 98, 14925
Trang 135
22 IUPAC Compendium of Chemical Terminology, (1997), - the Gold Book
,2nd edition
23 Kadnue, M., Naij, A., Podgodnik, R., (2010), “Countrion-mediated weak ADN strong coupling electrostatic interation between like-charged
cylindrical dielectrics”, J Chem Phys 132, 224703
24 Kindt, J., Tzlil, S., Ben-Shaul, A., Gelbart, W.M., (2001), “DNA
packaging ADN ejection forces in bacteriophages” Proc Nalt Acad Sci
U S A 98, 13671
25 Knobler,C.M.,Gelbart, W.M., (2009), “Physical chemistry of DNA
viruses”, Annu.Rev Phy Chem 60, 367
26 Koltover, I., Wanger , K., Safinya, C.R., (2000), “DAN condensation in
two dimension”, Proc Natl Acad Sci U S A 97, 14046
27 Lee, S., Le, T.T., Nguyen, T.T., (2010), “Reentrant behavior of divalent-counterion-mediated DNA-DNA electrostatic interaction
28 Lee, S., Tran, C.V., Nguyen, T.T., (2011), “Inhibition of DNA ejection from bacteriophage by Mg+2 counterions”, J Chem Phys 134, 125104
29 Letellier, L., Boulanger, P., Plancon, L., Jacquot, P., Santamaria, M., (2004), “Main features on tailed phage, host recognition ADN DNA
uptake”, Front Biosci 9, 1228
30 Lyubartsev, A.P., Nordenskiold, L., (1995), “Monte Carlos simulation study of ion distributionADN osmotic pressure in hexagonally oriented
DNA” J Phys Chem 99, 10373
31 Lyubartsev, A.P., Tang, J.X., Janmey, P.A., Nordenskiold, L., (1998),
“Electrolstatically induced polyelectrolyte association of rodlike virus
particles”, Phys Rev Lett 81, 5465
32 Moreira, A.G., Netz, R.R , (2002), “Simulation of counterion at charged
plates”, Eur Phys J E 8,33
33 Murialdo, H., (1991), “ Bacteriophage lambda DNA maturation ADN
packaging” Annu Rev Biochem 60, 125
