Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu và mô phỏng bài toán về tĩnh điện của phân tử ADN trong dung dịch muối ion 2+

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:84

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Với việc khám phá ra những đặc tính của ADN sẽ giúp chúng ta có khả năng phát hiện những gene hỏng giúp chẩn 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. Mời các bạn cùng tham khảo. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu và mô phỏng bài toán về tĩnh điện của phân tử ADN trong dung dịch muối ion 2+

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG 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
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG 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 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THẾ TOÀN Hà Nội – 2015
LỜI 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 Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ngƣời đã tận tình hƣớng 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 – Trƣờng 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 trƣờng 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 Nguyễn Văn Thùy
MỤC LỤC MỞ ĐẦU............................................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1- MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA PHÂN TỬ ADN, VIRUS VÀ BÀI TOÁN PHÓNG ADN RA KHỎI VIRUS ....................................................................................................... 4 1.1. Tổng quan về ADN ...................................................................................................................... 4 1.1.1. Cấu trúc hóa học của phân tử ADN .................................................................................. 4 1.1.2. Cấu trúc không gian của phân tử ADN ............................................................................. 7 1.2.Tổng quan về virus ........................................................................................................................ 9 1.2.1.Cấu trúc cơ bản của virus ................................................................................................... 9 1.2.2.Chu kì sống của virus ....................................................................................................... 11 1.3. Bài toán phóng ADN ra khỏi virus ............................................................................................ 12 CHƢƠNG 2-CÁC LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN CHO DUNG DỊCH ................................................ 18 2.1. Phƣơng trình trƣờng trung bình Poisson-Boltzmann và lý thuyết tĩnh điện Debye-Huckel. ..... 18 2.1.1. Phƣơng trình Poisson-Boltzmann ................................................................................... 18 2.1.3. Tuyến tính hóa phƣơng trình Poison – Boltzmann (PB) – Phƣơng trình Debye – Huckel (DH).…………………………………………………………………………………………..20 2.1.4. Áp dụng phƣơng trình Debyle-Huckel để tính thế năng quanh một hình trụ tích điện. .. 23 2.2. Lý thuyết tĩnh điện tƣơng quan mạnh và sự đảo dấu điện tích bởi các phản ion đa hóa trị ....... 24 CHƢƠNG 3-PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO ..................................................... 29 3.1. Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo và thuật toán Metropolis ................................................ 29 3.1.1. Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo ............................................................................. 29 3.1.2. Điều kiện cân bằng chi tiết .............................................................................................. 32 3.1.3. Thuật toán Metropolis ..................................................................................................... 33 3.2. Lý thuyết mô phỏng Monte Carlo hệ vĩ chính tắc...................................................................... 35 3.3. Cách tính áp suất và năng lƣợng tự do bằng phƣơng pháp tập hợp thống kê mở rộng .............. 38 CHƢƠNG 4- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG HỆ ADN ........................ 40 4.1. Lý thuyết đảo dấu điện tích áp dụng cho bài toán phóng ADN ra khỏi virus ............................ 41 4.1.1. Lý thuyết tính toán số lƣợng ADN phóng ra khỏi virus.................................................. 41 4.1.2.Kết quả việc khớp lý thuyết với số liệu thực nghiệm của việc phóng ADN ra khỏi virus..……...44 4.2. Mô phỏng hệ ADN ..................................................................................................................... 46 4.2.1 Mô hình hệ ADN.............................................................................................................. 46 4.2.2 Kết quả mô phỏng ........................................................................................................... 50
4.2.2.1.Sự đảo dấu điện tích ADN bởi các phản ion đa hóa trị ................................................. 50 4.2.2.2. Tƣơng tác hiệu dụng giữa ADN và ADN khi có mặt phản ion ở dung dịch và năng lƣợng tự do của quá trình gói ADN vào trong virus. ............................................................ 52 KẾT LUẬN ....................................................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................. 58 PHỤ LỤC.......................................................................................................................................... 63
DANH 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 lƣợng ADN phóng ra khỏi virus phụ thuộc nồng độ P.E.G Hình 1.10. Đồ thị biểu diễn phần trăm số lƣợng 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 lƣợng 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 lƣợng ADN phóng ra khỏi virus phụ thuộc nồng độ muối ion đa trị. Hình 3.1. Giản đồ phƣơng 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.
Hình 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+
BẢNG DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT STT Viết tắt Cụm từ viết tắt 1 ADN Axit deoxyribonucleic 2 ARN Axit ribonucleic 3 CCMV Cowpea Chlorotic Mottle Virus 4 DH Debye-Huckel 5 DMC Dynamic Monte Carlo 6 DSMC Direct simulation Monte Carlo 7 IF Impact factor 8 KMC Kinietec Monte Carlo 9 MC Monte Carlo 10 PB Poisson-Boltzmann 11 P.E.G Poly ethylene glycol 12 QMC Quantum Monte Carlo
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài ADN đƣợc biết đến là một phân tử axit nucleic mang thông tin di truyền mã hóa cho mọi hoạt động sinh trƣởng và phát triển của các dạng sống bao gồm cả virus. Trong các cơ thể sống ADN có thể đƣợc 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 lƣợng protein, sinh trƣởng 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 đƣợc những phƣơng 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 phƣơng pháp đang đƣợc quan tâm đó là việc đƣa gene vào tế bào bằng cách sử dụng các virus chứa ADN. Trong phƣơng pháp này ngƣời ta có thể đƣa phân tử ADN chứa gene vào trong vỏ virus rồi sử dụng các cơ chế thâm nhập của virus để đƣa gene vào tế bào cần thay đổi gene. Trong môi trƣờng nƣớc, ADN là 1 phân tử tích điện âm mạnh. Do đó các tƣơng tác tĩnh điện đóng vai trò quan trọng trong các cấu trúc, chức năng của ADN. Tƣơng tác tĩnh điện cũng là một trong các yếu tố ảnh hƣởng 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 trƣờng dung dịch, có một nồng độ phản ion 2+ tối ƣu 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 ƣu thì phân tử ADN muốn đƣợc giải phóng ra khỏi virus nhiều hơn. Thực tế là các phản ion 2+ có ảnh hƣởng mạnh nhƣ vậy tới quá trình 1
phóng ADN là rất không tầm thƣờng. Thực nghiệm cho thấy các ion 2+ không thể ngƣng tụ hoặc chỉ ngƣng tụ một phần các ADN. Nhƣng đối với ADN đóng gói trong vỏ virus thì ion 2+ có ảnh hƣởng rất mạnh. Chính vì môi trƣờng rất cá biệt ADN trong virus ở đó ADN đƣợc đƣa sẵn vào trong bởi một protein động cơ nên muối ion 2+ mới có thể phát huy tối đa ảnh hƣởng của chúng. Với mong muốn nghiên cứu sự ảnh hƣởng của một số hiệu ứng tĩnh điện lên phân tử ADN và đƣa ra kết quả ảnh hƣởng 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. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong bài toán phóng ADN ra khỏi virus, chúng tôi sẽ tập trung xem xét ảnh hƣởng của muối 2+ lên tƣơng tác hiệu dụng giữa giữa các phân tử ADN. Chúng tôi sử dụng 2 phƣơng pháp khác nhau để nghiên cứu tƣơng tác hiệu dụng này. Đó là: 1. Phƣơng pháp giải tích dùng lý thuyết tĩnh điện tƣơng quan mạnh. 2. Phƣơng 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 chƣơng 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 chƣơng 2, chúng tôi giới thiệu về lý thuyết tĩnh điện của dung dịch và PE, thiết lập phƣơng trình trƣờng trung bình tự hợp (phƣơng trình Poisson – Boltzmann) và giải phƣơng trình Debye – Huckel cho trƣờng hợp dây ADN đƣợc 2
xem là hình trụ tích điện đƣợc đặt trong dung môi là nƣớc. Đồng thời cũng giới thiệu lý thuyết tĩnh điện tƣơng quan mạnh và hiện tƣợng đảo dấu điện tích. Chương 3. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo Nội dung chƣơng 3 trình bày phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo và các thuật toán đƣợc sử dụng trong luận văn. Chương 4. Kết quả tính toán lý thuyết và mô phỏng hệ ADN Trong chƣơng 4 của luận văn, chúng tôi giới thiệu, phân tích và đƣa ra những biện luận vật lý các kết quả thu đƣợc từ lý thuyết tĩnh điện tƣơng quan mạnh và mô phỏng Monte Carlo. Các kết quả này đã đƣợc báo cáo tại: Hội nghị khoa học khoa Vật lý – ĐHKHTN – ĐHQG Hà Nội – 08/10/2014. Kết luận Ở phần này, chúng tôi nêu ra những kết quả thu đƣợc từ việc nghiên cứu và mô phỏng toán về tĩnh điện của phân tử ADN trong dung dịch muối ion 2+. Đồng thời đề xuất mở rộng hƣớng nghiên cứu và mô phỏng hệ ADN khác trong tƣơng lai. Tài liệu tham khảo Phụ lục 3
CHƢƠNG 1- MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA PHÂN TỬ ADN, VIRUS VÀ BÀI TOÁN PHÓNG ADN RA KHỎI VIRUS Việc nghiên cứu virus và ADN đã thu hút nhiều nhóm nghiên cứu trong những năm gần đây. Điều này là do yêu cầu phát triển của những phƣơng pháp đƣa gene vào tế bào một cách có hiệu quả. Lĩnh vực trị liệu gene này đang phát triển với tốc độ nhanh chóng và đòi hỏi nghiên cứu khoa học từ nhiều khía cạnh: sinh học, vật lý, hóa học và toán tin học. Một trong những phƣơng pháp đƣa gene vào tế bào đang đƣợc quan tâm đó là sử dụng các virus chứa ADN. Trong phƣơng pháp này ngƣời ta có thể đƣa phân tử ADN chứa gene vào trong vỏ virus rồi sử dụng các cơ chế thâm nhập của virus để đƣa gene vào tế bào cần thay đổi gene. Phƣơng pháp này rất có tiềm năng lớn bởi vì chúng sử dụng phƣơng pháp thuần túy sinh học tránh gây sốc cho ngƣời bệnh vì vật liệu là vỏ virus là vật liệu sinh học tự nhiên chứ không phải vật liệu nhân tạo, tránh bị các cơ chế bài trừ của cơ thể sống. Một virus chỉ luôn tấn công một loại tế bào xác định nên chúng ta có thể dùng phƣơng pháp này đƣa ADN vào loại tế bào cần thiết. Hiện giờ có rất nhiều công trình nghiên cứu lý sinh liên quan đến bài toán ngƣng tụ ADN trong vỏ virus (cả quá trình đƣa vào lẫn quá trình phóng ra). Để hiểu rõ các vấn để này, tôi sẽ trình bày sơ lƣợc tổng quan về ADN, Virus và bài toán phóng ADN ra khỏi virus trong chƣơng này. 1.1. Tổng quan về ADN 1.1.1. Cấu trúc hóa học của phân tử ADN Axit deoxyribonucleic (ADN) là một phân tử axit nucleic mang thông tin di truyền mã hóa cho hoạt động sinh trƣởng và phát triển của các dạng sống bao gồm cả một số virus. Do vậy ADN có thể xem là phân tử quan trọng nhất của sự sống hay còn đƣợc gọi là “phân tử của sự sống”. ADN nhận đƣợc sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều các nhà khoa học hàng đầu trong nƣớc và quốc tế, chúng ta có thể dễ dàng tìm thấy trên các tạp chí khoa học có chỉ số ảnh hƣởng (IF) cao, các tạp chí hàng đầu nhƣ: Nature, Science…rất nhiều những công trình nghiên cứu về ADN. Thậm chí còn có tạp chí nổi tiếng Nucleic acid research chuyên để công bố các nghiên cứu liên quan đến ADN. 4
Về thành phần hóa học, ADN là một loại axit hữu cơ có chứa các nguyên tố chủ yếu là: cacbon (C), hiđro (H), oxi (O) và photpho (P). Về cấu trúc, ADN là đại phân tử có khối lƣợng phân tử lớn, chiều dài có thể đạt tới hàng trăm micromet, khối lƣợng phân tử có thể đạt từ 4 đến 8 triệu đơn vị cacbon, một số có thể đạt tới 16 triệu đơn vị cacbon. ADN là hợp chất cao phân tử cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, trong đó mỗi đơn phân là các nucleotide gọi tắt là các Nu. Về thành phần hóa học của các nu, mỗi Nucleotide có 3 thành phần cơ bản: một phân tử đƣờng Deoxiribose, một gốc phosphate (H3PO4) và một trong bốn loại base (nucleobase) A ; T ; G ; C. Trong đó hai loại base Cytosine (C) và Thymine (T) có cấu trúc vòng đơn cacbon nitrogene với kích thƣớc nhỏ (Pyrimidin), hai loại base Adenin (A) và Guanin (G) có cấu trúc vòng kép với kích thƣớc lớn hơn (Purin) (Hình 1.1). Do mỗi Nucleotide chỉ khác nhau ở thành phần nucleobase nên tên gọi của các Nu là tên gọi của nucleobase mà nó mang. Hình 1.1 Cấu trúc 4 loại base của phân tử ADN Cấu trúc không gian phổ biến của ADN là cấu trúc chuỗi xoắn kép gồm hai mạch đơn. Trên mỗi mạch đơn, các đơn phân liên kết với nhau bằng liên kết hóa trị. Liên kết hóa trị này là liên kết đƣợc hình thành giữa nhóm đƣờng C5H10O4 của nucleotide này với nhóm phosphate H3PO4 của nucleotide bên cạnh (liên kết 5
photphodieste). Chuỗi lặp lại các liên kết hóa trị hình thành chuỗi polynucleotide (Hình 1.2). Hình1.2 Cấu trúc hóa học của phân tử ADN (Nguồn:http://www.ck12.org/user:anJzb2xvbW9uQG1ldnNkLnVz/book/STE M-Biology/section/5.1/ ) Liên kết photphodieste là liên kết bền, đảm bảo thông tin di truyền trên mỗi mạch đơn ổn định ngay cả khi ADN tái bản và phiên mã. Chính liên kết hóa trị này làm nên tính ổn định của phân tử ADN. Do đó chuỗi các liên kết giữa phân tử đƣờng và gốc phosphate đƣợc xem là chuỗi “xƣơng sống” của phân tử ADN, có ý nghĩa quan trọng trong hoạt động di truyển của các cơ thể sống. Từ chuỗi xƣơng sống này, các nucleobase trên nhánh đơn gắn vào nhóm phân tử đƣờng của nhánh đó nhƣ “chân rết”, các nuleobase trên hai nhánh đơn liên kết với nhau thông qua các liên kết hiđro. Hai liên kết này hình thành nên độ cứng và cấu trúc không gian của phân tử ADN. Tại các gene trên 1 chuỗi phân tử ADN,trật tự sắp xếp các nucleotide tạo thành trình tự của genee. Mỗi quan hệ giữa trình tự genee và với trình tự của các aminoaxit trên protein đƣợc gọi là mã di truyền (một dạng mật mã chung cho mọi 6
sinh vật). Trình tự của ADN xác định khả năng và vị trí mà ADN có thể bị phân huỷ bởi các enzyme giới hạn, một công cụ quan trọng của ngành kỹ thuật di truyền. 1.1.2. Cấu trúc không gian của phân tử ADN Cấu trúc sơ cấp của phân tử ADN đƣợc biết đến là cấu trúc chuỗi xoắn kép gồm hai sợi đơn - chuỗi polynucleotide. Có nhiều dạng xoắn hai mạch đơn của phân tử ADN, tuy nhiên cấu trúc phổ biến nhất là cấu trúc xoắn dạng B – ADN theo mô hình của J.Oat xơn và F.Cric xây dựng năm 1953. Theo mô hình này, hai mạch đơn của phân tử ADN liên kết với nhau và xoắn đều quanh một trục tƣởng tƣợng theo chiều từ trái sang phải tƣơng tự nhƣ chiếc thang dây xoắn với bán kính 1nm gồm nhiều vòng xoắn, các chu kỳ xoắn đƣợc lặp đi lặp lại đều đặn, chiều cao mỗi vòng xoắn là 3.4𝑛𝑚, trung bình có khoảng 10.5 cặp base nu trong một chu kỳ xoắn với khoảng cách các cặp nu xấp xỉ 0.34𝑛𝑚 (Hình 1.3). Hình 1.3. Cấu trúc xoắn kép của ADN ( Nguồn https://karimedalla.wordpress.com/2012/11/01/3-3-7-1-dna- structure/) Hai bên tay thang là các phân tử đƣờng và axit phosphoric sắp xếp xen kẽ nhau, mỗi bậc thang là các cặp base liên kết với nhau bằng liên kết hidro theo nguyên tắc bổ sung nghĩa là một base lớn liên kết với một base có kích thƣớc nhỏ hơn. Do đặc điểm cấu trúc của các nucleobase mà liên kết hiđro chỉ hình thành giữa hai loại nucleobase nhất định là A với T (qua 2 liên kết hiđro) và C với G (qua 3 liên 7
kết hiđro). Đó thực chất là liên kết giữa một purine và một pyrimidine nên khoảng cách tƣơng đối giữa hai chuỗi polynucleotide đƣợc giữ vững. Cấu trúc sơ cấp của phân tử ADN đƣợc biết đến là cấu trúc chuỗi xoắn kép gồm hai sợi đơn-chuỗi polynucleotide. Trong môi trƣờng nƣớc, gốc phosphate mất đi proton và trở nên tích điện âm. Do vậy khi đặt ADN trong môi trƣờng nƣớc mật độ điện tích tuyến tính của AND là khoảng 1e/1.7A𝑜 . Và nếu ta coi ADN là một hình trụ tích điện với bán kính 1nm, thì mật độ bề mặt là 1e/1n𝑚2 . Đây là một trong những mật độ điện tích lớn nhất đã quan sát đƣợc trong các hệ sinh học. Do vậy các hiệu ứng tĩnh điện đóng vai trò rất quan trọng trong cấu trúc và hoạt tính của các hệ ADN. Trong phạm vi luận văn này, chúng tôi sẽ đi sâu tìm hiểu ảnh hƣởng của hiệu ứng tĩnh điện vào độ cứng của ADN. Ngoài mô hình cấu trúc chuỗi xoắn kép của J.Oat xơn và F.Cric (B – ADN), còn một số cấu trúc hình học của ADN đƣợc biết đến nhƣ cấu trúc dạng A, D, Z… (Hình 1.4). Các dạng cấu trúc này khác với cấu trúc xoắn kép (dạng B) ở hình dạng, kích thƣớc và một số các chỉ số nhƣ: số các nucleotide trong một chu kỳ xoắn, đƣờng kính xoắn, chiều xoắn… Tuy nhiên trong tự nhiên cấu trúc xoắn kép – dạng B đƣợc xem là phổ biến nhất. Hình 1.4 : Một số cấu trúc dạng xoắn ADN 8
1.2.Tổng quan về virus 1.2.1.Cấu trúc cơ bản của virus Hình 1.5.Cấu trúc của virus (nguồn https://voer.edu.vn/m/gioi-thieu-tom-tat-qua-trinh-nhan-len-cua-mot-so- virus-dien-hinh/eb14e19b) Tất cả các virus đƣợc tạo thành từ hai thành phần cơ bản: bộ gene lõi virus tạo thành từ một vài phân tử axit nucleic và vỏ protein đƣợc gọi là capsid để bảo vệ bộ gene. Một số virus chẳng hạn nhƣ HIV, retrovirus, CCMV, virus cúm ... dùng phân tử ARN để chứa gene của nó. Các virus này đƣợc gọi là virus ARN. Một số virus khác nhƣ bacteriophage dùng phân tử ADN để chứa gene của nó. Chúng đƣợc gọi là virus ADN. Các vỏ capsid của virus là một vỏ protein bao gồm các đơn vị gọi là capsomers lặp đi lặp lại. Capsomer có 5 hoặc 6 đơn vị cấu trúc gọi là protome. Sự sắp xếp của capsomers trên capsid protein là sự đối xứng icosahedral tƣơng tự nhƣ một quả bóng đá tiêu chuẩn. Pentamers (Penton) tạo thành từ 5 protome nằm trên đỉnh của icosahedron, và hexame (hexon) đƣợc tạo ra từ 6 protein tạo thành các cạnh và bề mặt hình tam giác, hình 1.6, hình 1.7. 9
a. Cấu trúc CCMV qua thí nghiệm X-ray b. Cấu trúc CCMV qua thí nghiệm Cryo-TEM Hình 1.6. Đối xứng icosahedrons của vỏ virus CCMV Hình 1.7: Cấu trúc đối xứng của virus(các virus có tính đối xứng icosahedrons được tạo bởi các pentome, hexamer của 5; 6 protein) 10
1.2.2. Chu kì sống của virus Chu kì sống điển hình của virus dƣợc thể hiện trong hình 1.8. Chu kì sống bao gồm các giai đoạn sau :  Xâm nhập: Đối với các virus để tái sản xuất và qua đó thiết lập nhiễm trùng, nó phải xâm nhập vào các sinh vật chủ và sử dụng vật liệu của tế bào. Để xâm nhập các tế bào, các protein trên bề mặt của virus tƣơng tác với các protein trên bề mặt của tế bào. Sau khi bám vào màng tế bào, các hạt virus hoặc nội dung di truyền của nó đƣợc xâm nhập vào tế bào chủ-nơi sinh sản của virus bắt đầu.  Nhân rộng: Khi đã xâm nhập vào các tế bào , virus sử dụng các máy móc sao chép của tế bào để tái tạo lại bộ gene của nó, và để nhanh chóng sản xuất protein của virus. Từ bộ gene ban đầu, các tế bào tạo ra 2 bộ gene của virus mới, sau đó là 4 bộ gene rồi 8 bộ gene của virus… Đây là một quá trình theo cấp số nhân và nhanh chóng tạo ra hàng nghìn virus mới bên trong tế bào. Cuối cùng tất cả năng lƣợng của tế bào đƣợc sử dụng để sản xuất các loại virus mới, dẫn đến tử vong của tế bào. Do đó, các tế bào này phân rã, các hạt virus đƣợc thả vào môi trƣờng giữa các tế bào để tiếp tục lây nhiễm các tế bào khác.  Viral shedding: Sau khi một con virus đã tạo ra rất nhiều bản sao của chính nó, tế bào chủ sẽ cạn kiệt các nguồn tài nguyên của nó. Do đó các tế bào sẽ chết và những virus mới đƣợc sản xuất ra phải tìm một tế bào chủ mới. Trong quá trình này, các virus con cháu sẽ đƣợc phát tán ra để tìm tế bào chủ mới, đƣợc gọi là shedding. Chu kì sống của virus bắt đầu với những virus nhiễm các tế bào vật chủ mới. 11
Hình 1.8: Chu kì sống của điển hình virus ( xâm nhập, nhân rộng, shedding) 1.3. Bài toán phóng ADN ra khỏi virus Trong cấu trúc cơ bản nhất thì virus ADN bao gồm một phân tử ADN cuộn tròn bên trong một vỏ virus bảo vệ rất cứng rắn. Độ dài quán tính của ADN là khoảng 50 nm, độ dài đó tƣơng đƣơng hoặc lớn hơn kích thƣớc bên trong của vỏ virus. Một phân tử ADN của virus điển hình thƣờng dài khoảng 10 𝜇𝑚 (bằng 200 lần độ dài quán tính). Điều này cho thấy phân tử ADN bị bẻ cong và nén khá chặt bên trong vỏ virus. Áp suất thẩm thấu bên trong vỏ virus có thể lên tới 50 atm. Áp suất cao này đƣợc giả thuyết là lực chính để phóng ADN khỏi virus vào trong tế bào chủ khi cổ virus mở ra. Các thí nghiệm in vitro còn cho thấy các khả năng điều khiển quá trình phóng ADN khỏi virus. 12