DNAの構造と弾性

🧠 DNAの力–伸長曲線 force-extension curve 力–伸長曲線（force-extension curve） force-extension curve（力–伸長曲線） は、低力での配座伸展 conformational extension配座伸展（conformational extension） conformational extension（配座伸展）、中等度での主鎖変形、高力での過伸長転移 overstretching transition 過伸長転移（overstretching transition） overstretching transition（過伸長転移） という三つの領域を示す。

DNAを高分子鎖として捉える

B-DNAは二重らせん double helix 二重らせん（double helix） double helix（二重らせん） 構造をもち、無荷重では熱運動 thermal motion 熱運動（thermal motion） thermal motion（熱運動） によって曲がった配座をとる。生体高分子biopolymer 生体高分子（biopolymer）biopolymer（生体高分子） のエントロピー弾性 entropic elasticityエントロピー弾性（entropic elasticity） entropic elasticity（エントロピー弾性）と同様、低い力では結合を大きく変形させず、曲がりを伸ばして配座エントロピー conformational entropy 配座エントロピー（conformational entropy） conformational entropy（配座エントロピー） を減らすことが主な応答になる。

持続長persistence length 持続長（persistence length）persistence length（持続長） は鎖の曲がりにくさ、輪郭長contour length 輪郭長（contour length）contour length（輪郭長） は鎖を完全にたどった長さを表し、みみず鎖モデルworm-like chain model みみず鎖モデル（worm-like chain model）worm-like chain model（みみず鎖モデル） の主要な尺度である。

力によって変わる応答

過伸長転移overstretching transition 過伸長転移（overstretching transition）overstretching transition（過伸長転移） は単純なフックhook フック（hook）hook（フック） 型伸長ではなく、分子構造の協同的変化である。塩濃度、温度、ニック、引っ張る末端によってS-DNA様伸長、末端からの鎖剥離 strand peeling鎖剥離（strand peeling） strand peeling（鎖剥離）、局所融解バブル melting bubble 融解バブル（melting bubble） melting bubble（融解バブル） の寄与が変わる。^{1 2}

構造から力–伸長曲線へ

flowchart TD
  A["低い張力"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='thermal motion'>熱運動</span>による曲がりを伸ばす"]
  B --> C["主鎖と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='base stacking'>塩基スタッキング</span>を変形"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='critical force'>臨界力</span>へ到達"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='overstretching transition'>過伸長転移</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='contour length'>輪郭長</span>が大きく増える"]

単分子操作single-molecule manipulation 単分子操作（single-molecule manipulation）single-molecule manipulation（単分子操作） により、DNA–タンパク質結合や酵素による巻き戻しも力学信号として観測できる。構造を安定化する相互作用は生体分子の非共有結合 non-covalent bond非共有結合（non-covalent bond） non-covalent bond（非共有結合）とも共通する。

まとめ

• 低力ではDNAの曲がりが伸び、配座エントロピーconformational entropy 配座エントロピー（conformational entropy）conformational entropy（配座エントロピー） が減少する。
• 持続長persistence length 持続長（persistence length）persistence length（持続長） は曲げ剛性 bending rigidity曲げ剛性（bending rigidity） bending rigidity（曲げ剛性）、輪郭長contour length 輪郭長（contour length）contour length（輪郭長） は鎖に沿った最大長の尺度である。
• 高力での約1.7倍の過伸長 overstretching 過伸長（overstretching） overstretching（過伸長） は、条件依存的に複数の分子構造変化 conformational change 構造変化（conformational change） conformational change（構造変化） が競合する非線形 non-linear 非線形（non-linear） non-linear（非線形） 応答である。