Modeling RNA secondary structures with explicit loop free energies

• Applicant: Professor Dr. Roland Netz
• Subject Area: Theoretical Condensed Matter Physics
• Term: from 2009 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 123202018

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Vor einiger Zeit haben wir einen Formalismus zur Berechnung von RNA Sekundärstrukturen aufgestellt, mit dem beliebige Ausdrücke für die freie Energie von Schleifen in polynomialer Rechenzeit berücksichtigt werden können. Die von uns berechneten Wärmekapazitäten und Schmelztemperaturen stimmten gut mit Eperimenten überein. Alle Resultate sind aber erstaunlich empfindlich gegenüber dem verwendeten Schleifenfunktional, selbst für relativ kurze RNA Sequenzen. In dem Antrag planten wir den Formalismus weiterzuentwickeln und auf eine ganze Reihe von biologisch relevanten Fragestellungen anwenden. Hierbei ging es um den Einfluss von Salz, die Bindung von Liganden an Basen und Ko-Faltung: i) Eine salz-abhängige Schleifen-freie Energie wurde direkt in die Theorie eingebaut und berücksichtigt die diffus gebunde Gegenionenwolke und auch nicht-lineare elektrostatische Effekte. ii) Die Bindung von kleinen Liganden an Polymere wurde durch eine modifizierte Gibbsgleichung berücksichtigt und die Ergebnisse wurden mit Einzelmolekülexperimenten verglichen. iii) Die Kofaltung von zwei Nukleotid-Einzelsträngen wurde durch eine einfache Modifizierung der Iterationsgleichung studiert.

Publications

• A Three-State Model with Loop Entropy for the Overstretching Transition of DNA, Biophysical Journal 99, 578 (2010)
  Thomas R. Einert, D.B. Staple, H.-J. Kreuzer, and Roland R. Netz
  
• DNA-protein binding rates: Bending fluctuation and hydrodynamic coupling effects, Journal of Chemical Physics 132, 135103 (2010)
  Yann von Hansen, Roland R. Netz and Michael Hinczewski
  
• Pulling a Single Polymer Molecule off a Substrate Reveals the Binding Thermodynamics of Cosolutes, Angew. Chem. Int. Ed. 49, 4730 (2010)
  Michael Geisler, Roland R. Netz and Thorsten Hugel
  
• Entropy and enthalpy convergence of hydrophobic solvation beyond the hardsphere limit, Journal of Chemical Physics 134, 055105 (2011)
  Felix Sedlmeier, Dominik Horinek, and Roland R. Netz
  
• Secondary structure formation of homopolymeric single-stranded nucleic acids including force and loop entropy: Implications for DNA hybridization, Eur. Phys. J. E (Cover) 34, 55 (2011)
  Thomas Einert, Henri Orland and Roland R. Netz
  
• Theory for RNA Folding, Stretching, and Melting Including Loops and Salt, Biophysical Journal 100, 2745 (2011)
  Thomas Einert and Roland R. Netz