7.1. Conclusion
물리학과 생물학이 융합된 생물물리학이라는 학문으로 DNA의 중요한 물리적 특성인 탄성에 대해 연구하였다. 본 연구에서는 다른 선행 연구와는 달리 염기조성에 따른 DNA의 탄성을 연구하였다. 또한 음파를 이용하는 간접적이거나 광집게를 이용하는 고가의 장비가 필요한 실험 설계를 필요로 하지 않는 분자동력학 시뮬레이션과 MATLAB을 이용하였다. 또한 기존연구들과는 달리 염기비율에 따른 탄성을 비교할 수 있었다. 정량적으로 분석하는 방법으로 Helix의 탄성계수에 관한 선행연구, 많은 논문에서 인용하는 Kratky-porod model(worm like chain model)를 참고하였으며 2중 나선구조인 DNA의 탄성계수를 구하기 위해 실험을 설계하였다.
염기조성에 따른 연구결과를 보면 A-T 결합의 비율이 G-C 결합의 비율보다 높으면 일반적인 DNA 구조에서 더 굽어지고, 유연하다는 것을 알 수가 있다. 굽어지기 쉽다는 특성은 DNA의 두 가닥 사이 수소결합의 개수가 적을수록 굽어지기 쉬울 것이라는 예상과 같다. 이는 TATA box에 결합인자가 접근할 때 TATA box가 쉽게 굽어지고 유연할수록 결합인자와의 반발력을 이겨내고 결합을 할 수 있다는 것으로 생각할 수 있다. 또한 이러한 TATA box의 물리적 특성을 기초로 TATA box의 움직임과 DNA의 복제 과정 등을 더 폭넓게 이해할 수 있을 것으로 기대된다.
The study of elasticity, an important physical property of DNA, is the study of biophysics, a fusion of physics and biology. In this study, unlike other previous studies, the elasticity of DNA according to the base composition was studied. In addition, molecular dynamics simulation and MATLAB were used, which do not require experimental design that requires indirect sound waves or expensive equipment using optical forceps. Also, unlike previous studies, the elasticity according to the base ratio could be compared. As a quantitative analysis method, the Kratky-porod model (worm like chain model) cited in previous studies on Helix's elastic modulus and many papers was referred to, and an experiment was designed to obtain the elastic modulus of DNA, which is a double helix structure.
According to the study results according to the base composition, it can be seen that if the ratio of A-T bonds is higher than that of G-C bonds, it is more bent and flexible in the general DNA structure. The property of being easy to bend is the same as the expectation that the less the number of hydrogen bonds between the two strands of DNA, the easier it will be bent. This can be considered that the more easily the TATA box is bent and flexible when the binding factor approaches the TATA box, the more it can overcome the repulsive force with the binding factor and bind. In addition, based on the physical properties of the TATA box, it is expected that the movement of the TATA box and the DNA replication process can be understood more broadly.
7.2. Summary
본 연구에서는 VMD, NAMD등의 프로그램을 이용하여 DNA에 대한 연구를 수행하였다. DNA의 염기조성을 달리해 연구를 진행 하였으며 NAMD를 통해 Water box라는 field 내에서 각각의 DNA가 변화 할 때의 휘어짐 정도와 탄성 계수(bending-modulus)를 관찰하여 비교하였다. DNA가 Water box 안에서 영향을 받을 때 형태가 변형되는 정도와 그에 따른 나선 구조(helix)에 저장되는 에너지의 변화를 관찰 하였다. 또한 MATLAB을 이용한 dcd 파일 분석을 통해 본 연구팀이 VMD로 구현한 DNA를 더 잘 이해 할 수 있었다. 마지막으로 A-T결합 비율이 높을수록 DNA는 더 쉽게 굽어지고 유연하다는 것을 알 수 있었다.
In this study, DNA research was conducted using programs such as VMD and NAMD. The study was conducted by varying the base composition of DNA, and the degree of bending and bending-modulus when each DNA was changed in a field called water box through NAMD was observed and compared. When DNA is affected in a water box, the degree of shape change and the change in energy stored in the helix were observed. In addition, through dcd file analysis using MATLAB, this research team was able to better understand the DNA implemented in VMD. Finally, it was found that the higher the A-T bond ratio, the more easily the DNA was bent and flexible.
7.3. Further research and significance
본 연구의 목적은 DNA의 물리적 모델링을 통한 탄성 계수(bending-modulus)를 측정하여 DNA에 대한 분자동력학적 성질을 예측, 비교 하는 것이었다. 본 연구팀은 MATLAB을 이용하여 DCD 파일 분석을 통해 helix의 탄성 계수(bending-modulus)를 구하고 이를 그래프로 산출하였다. 본 연구에서 발전할 추가 연구는 DNA에 대한 분석뿐만 아니라 DNA에 특정 효소가 부착되거나 생명활동에 관여할 때 DNA의 탄성으로 이해 될 수 있는 연구에 관하여 범위를 확장 할 수 있다는 점이다. 또한 우리는 본 연구를 통해 DNA의 분자동력학적 특성을 파악함으로써 DNA를 활용한 다른 연구에 광범위하게 응용 될 수 있으며 DNA에 관한 연구를 진행하는 데 있어서 중점적인 연구로 자리매김 될 수 있을 것이다.
그 외에도 특정한 DNA보다 방대한 정보를 담고 있는 염색사의 탄성을 정량적으로 계산해낼 수 있는 물리적 모델링을 이번 연구를 토대로 시도해 볼 수 있을 것이다. 모든 DNA의 탄성을 구해낼 수 있는 모델링과 데이터 분석용 MATLAB코드를 작성한다면 타 연구에서도 활용 될 수 있을 것이다.
The purpose of this study was to predict and compare the molecular dynamics properties of DNA by measuring the bending-modulus through physical modeling of DNA. This research team obtained the bending-modulus of the helix through DCD file analysis using MATLAB and calculated it as a graph. Further research to be developed in this study is that it can expand the scope not only for analysis of DNA, but also for studies that can be understood as the elasticity of DNA when specific enzymes are attached to DNA or are involved in life activities. In addition, by understanding the molecular dynamics characteristics of DNA through this study, it can be widely applied to other studies using DNA, and it will be positioned as a central study in conducting research on DNA.
In addition, physical modeling that can quantitatively calculate the elasticity of chromatin, which contains more information than specific DNA, can be tried based on this study. If we write MATLAB code for modeling and data analysis that can recover the elasticity of all DNA, it will be able to be used in other studies.
7.4. Utilization of research results and expected effects
DNA의 탄성에 대한 연구는 그 동안 많은 논문에서 인용되었으며 다양한 분야에서 DNA의 성질을 이해하는데 쓰이고 있다. 구조적 유연성을 이해하기 위해서는 DNA탄성의 정량적 이해가 필요하다. 실제 실험으로는 구현하기 힘든 DNA를 W3DNA, VMD로 구성 후 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 변화를 관찰하였다. 변화하는 결과 값들은 각 원자들의 좌표로 저장된 DCD파일을 이용하여 분석 할 수 있었다. DNA를 탄성이 있는 막대로 모델링할 수 있었으며, MATLAB을 이용하여 방대한 양의 데이터들을 물리적 모델링에 맞게 분석하여 염기서열에 따른 DNA의 탄성을 비교하였다.
특히, 이 연구결과를 바탕으로 DNA가 중요한 역할을 하고 있는 TATA box특성을 화학적 특성인 수소결합의 개수가 아닌 물리적 특성인 탄성으로 설명하는 것에 있어, 탄성 연구의 중요성은 아주 크다고 할 수 있다. 또한 임의의 DNA의 탄성계수를 구한다면 염기서열을 분석하기 이전에 염기비율들을 구할 수 있을 것이다. 물론 그 이외에도 여러 가지 DNA가 관여하는 생명현상을 이해하는 데 본 연구결과가 큰 역할을 할 수 있을 것이라고 본 팀은 생각한다. DNA의 탄성을 이해하면서 DNA자체의 성질뿐만 아니라 이를 이루고 있는 염기의 조성이 어떻게 DNA의 탄성에 연관되는지를 알 수 있는 기회가 된다.
구조적 유연성(conformational flexibility)은 DNA에서 중요한 위치를 차지한다. DNA는 생동적인 생명 시스템에서 유전정보를 지니는데 이용되고 있고 가장 압축된 데이터 저장시스템이다. 매우 작은 공간에 모든 생물학적 정보가 담겨있다. DNA가 세포내의 특수 단백질들에 의해서 접근이 가능하거나 부착이 가능한 것은 탄성이 있기 때문이다. DNA의 탄성은 단백질에 의해서 중요한 과정들이 일어 날 수 있게 해준다. 예를 들어 이중나선의 복제는 빠르게 일어난다. 이때 DNA가 어느 정도의 탄성을 가지느냐에 다라 그 빠른 속도를 감당할 수 있다. Cell 지에 게재된 최근 보고에 의하면, 주형(templates)으로서 DNA 염기서열을 사용하여 RNA 분자를 만드는 단백질 복합체는 ”분자 대형트럭(molecular juggernaut)”으로 간주되었다. DNA의 탄성적인 특성이 이러한 일들을 가능하게 하며 탄성으로 설명될 수 있을 것이다. 본 연구를 진행한 우리들도 DNA에 들어있는 정보들의 지적인 근원의 존재성과 구조 자체의 정교함에 놀랐다.
The study of the elasticity of DNA has been cited in many papers and is being used to understand the properties of DNA in various fields. To understand structural flexibility, a quantitative understanding of DNA elasticity is required. DNA, which is difficult to implement in actual experiments, was composed of W3DNA and VMD, and then the change was observed using molecular dynamics simulation. The changing result values could be analyzed using the DCD file stored as the coordinates of each atom. DNA could be modeled as an elastic rod, and a vast amount of data was analyzed in accordance with physical modeling using MATLAB to compare the elasticity of DNA according to the nucleotide sequence.
In particular, based on the results of this study, it can be said that the study of elasticity is very important in explaining the TATA box characteristic, in which DNA plays an important role, not as a chemical characteristic, but as a physical characteristic, elasticity, rather than a chemical characteristic, the number of hydrogen bonds. In addition, if the elastic modulus of any DNA is obtained, the base ratios can be obtained before the base sequence is analyzed. Of course, the team thinks that the results of this study can play a big role in understanding life phenomena involving various DNAs. By understanding the elasticity of DNA, it is an opportunity to know how not only the properties of DNA itself but also the composition of the bases that make up it are related to the elasticity of DNA.
Structural flexibility occupies an important place in DNA. DNA is used to hold genetic information in living living systems and is the most compact data storage system. All biological information is contained in a very small space. DNA can be accessed or attached to by special proteins in cells because of its elasticity. The elasticity of DNA allows important processes to take place by the protein. For example, duplication of a double helix occurs rapidly. At this time, depending on how elastic the DNA is, it can handle the high speed. According to a recent report published in Cell, protein complexes that build RNA molecules using DNA sequences as templates were considered “molecular juggernauts”. The elastic nature of DNA makes these things possible and can be explained by elasticity. We who conducted this study were also surprised by the existence of the intelligent source of information contained in DNA and the sophistication of the structure itself.
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