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DNA-PAINT

news 来源：原创 2025/7/27 15:48:03

参考:

【科研教程】NUPACK网页版使用教程 https://www.bilibili.com/video/BV1G94y1W7mN/
NUPACK新版网页版教程-模拟部分 https://zhuanlan.zhihu.com/p/678730568
NUPACK 4.0 User Guide https://docs.nupack.org/
NUPACK网页版使用指南 https://zhuanlan.zhihu.com/p/550240179

TODO:

模拟探针和DNA杂交过程，
预测探针和DNA二级结构的结合效率，从而优化DNA序列；

蛋白质，DNA，RNA

从组成成分来说：

蛋白质：基本组成单位是氨基酸，有20种氨基酸。氨基酸包含一个氨基（-NH₂）、一个羧基（-COOH）、一个氢原子和一个侧链基团（R 基）。不同氨基酸的 R 基不同。
DNA：基本组成单位是脱氧核糖核苷酸，有4种脱氧核糖核苷酸。脱氧核糖核苷酸由脱氧核糖、磷酸和含氮碱基组成。含氮碱基有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）四种。
RNA：基本组成单位是核糖核苷酸，有4种核糖核苷酸。核糖核苷酸由核糖、磷酸和含氮碱基构成。含氮碱基有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）四种。

从结构来说：

蛋白质：一级结构是氨基酸排列顺序，二级结构是多肽链局部的空间结构。一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羧基脱水反应形成两个肽，中间用肽链连接。
DNA：双链螺旋结构，两链反向平行，通过碱基互补配对（A 与 T 配对，G 与 C 配对）形成氢键相互连接，形成稳定的双螺旋结构。
RNA：单链结构。

从DNA -> RNA -> 蛋白质的过程

(DNA -> RNA 转录) RNA 聚合酶与 DNA 模板上的启动子区域集合，解开DNA双螺旋。使用核糖核苷酸，按照碱基互补配对原则（A - U、T - A、G - C、C - G）。沿 DNA 模板链 3’ -> 5’ 方向形成方向为 5’->3’ RNA 链，合成链的过程叫做脱水反应（即前一个核糖核苷酸的 3’-OH 与后一个核糖核苷酸的 5’- 磷酸基团结合，脱去一分子水）。当 RNA 聚合酶到达 DNA 模板上的终止子区域时，转录结束，合成的 RNA 从 DNA 模板上释放出来。
(RNA -> 蛋白质翻译) 上一步中合成的 RNA 有的是 mRNA 用于蛋白质翻译。核糖体与mRNA 结合后，核糖体沿着 mRNA 的 5’→3’ 方向移动。tRNA 携带相应的氨基酸进入核糖体，通过 tRNA上的反密码子 与 mRNA 上的密码子进行碱基互补配对。当两个 tRNA 携带的氨基酸相邻时，在核糖体中的肽酰转移酶作用下，一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间发生脱水缩合反应，形成肽键，同时脱去一分子水。随着核糖体在 mRNA 上的移动，不断有新的氨基酸加入到肽链中，肽链逐渐延长。当核糖体遇到 mRNA 上的终止密码子时，翻译结束，合成的多肽链从核糖体上释放出来。

probe 和 DNA 的杂交过程

变形：通常将含有目标 DNA 的样本加热至 90 - 95℃，使双链 DNA 解开成为两条单链，这一步是为后续探针与目标 DNA 的结合创造条件
退火：将温度降低到合适的范围（一般为 40 - 65℃），使探针与目标 DNA 单链按照碱基互补配对原则进行结合。例如，探针上的腺嘌呤（A）与目标 DNA 单链上的胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对。
延伸：在 DNA 聚合酶等酶的作用下，以目标 DNA 单链为模板，从探针的 3’ 端开始，按照碱基互补配对原则添加脱氧核苷酸，使探针的链延伸，最终形成稳定的双链结构。

NUPACK 网页版设计 DNA 链

在 DNA 序列相关的语境中，“nt” 通常是 “nucleotide” 的缩写，中文意思是 “核苷酸”。
核苷酸是构成 DNA 和 RNA 的基本单位，如前文所述，它由脱氧核糖（在 DNA 中）或核糖（在 RNA 中）、磷酸基团和含氮碱基组成。当人们提到 DNA 序列的长度是多少 nt 时，就是在说该 DNA 序列包含多少个核苷酸。例如，一个 DNA 片段的长度为 100 nt，意味着它是由 100 个核苷酸组成的。

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结构和序列

已知结构寻找序列：因为 DNA 序列决定蛋白质结构，所以有时也会通过蛋白质结构来反推 DNA 序列

domain 结构域

MW 是 domain 的缩写；

“domain1” 通常指 “结构域 1”。在生物学中，结构域是生物大分子（如蛋白质、核酸等）中具有特定结构和功能的区域。
蛋白质结构域：是蛋白质中相对独立的三维结构单元，具有特定的功能，如结合底物、催化反应、与其他分子相互作用等。不同的结构域组合在一起，赋予了蛋白质复杂多样的功能。例如，某些蛋白质可能含有多个结构域，其中一个结构域负责与 DNA 结合，另一个结构域则具有酶活性，可对结合的 DNA 进行特定的修饰。
核酸结构域：在核酸分子中也存在结构域的概念。例如，RNA 分子可以折叠形成不同的结构域，这些结构域对于 RNA 的稳定性、功能以及与其他分子的相互作用至关重要。一些非编码 RNA 通过特定的结构域与蛋白质或其他核酸分子结合，发挥调控基因表达等功能。

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strand 链

在生物学中，“strand” 通常表示 “链”，主要用于描述核酸（DNA 或 RNA）分子的结构。以下是具体说明：
DNA 分子：DNA 是由两条反向平行的多核苷酸链组成的双螺旋结构。每条链都是由许多核苷酸通过磷酸二酯键连接而成，这里的每条链就被称为一条 “strand”。两条链上的碱基通过氢键相互配对，形成稳定的双螺旋结构。例如，在 DNA 复制过程中，两条 strand 会解开，以各自为模板合成新的互补链。
RNA 分子：RNA 通常是单链结构，但也会通过自身折叠形成复杂的二级和三级结构。这条单链也被称为 “strand”。比如，mRNA（信使 RNA）就是一条单链，它携带遗传信息从细胞核到细胞质，作为蛋白质合成的模板；tRNA（转运 RNA）虽然链长较短，但也具有特定的折叠结构，其单链也可称为 “strand”，它在蛋白质合成中负责转运氨基酸。

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complex表示整条链

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在生物学中，“complex” 通常表示 “复合物” 或 “复合体”。当涉及到两条链连起来形成的复合物时，“complex” 的含义可以从以下几个方面理解：
分子间相互作用
两条链能够连接起来形成复合物，是由于分子间存在各种相互作用力，如氢键、范德华力、静电相互作用和疏水作用等。以 DNA 双螺旋结构为例，两条多核苷酸链通过碱基之间的氢键相互配对连接在一起，A（腺嘌呤）与 T（胸腺嘧啶）之间形成两个氢键，G（鸟嘌呤）与 C（胞嘧啶）之间形成三个氢键。这些氢键以及碱基堆积产生的范德华力等，使得两条链能够稳定地结合形成 DNA - DNA 复合物，即 DNA 双螺旋结构。

综上所述，“complex” 用于描述两条链连起来的情况时，强调了它们之间通过特定的相互作用形成具有特定功能和结构稳定性的复合物，这种复合物在生物体内的各种生物学过程中发挥着重要作用。

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蛋白质，DNA，RNA

probe 和 DNA 的杂交过程

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