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 MƠ PHỎNG BÀI TỐN
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 MƠ PHỎNG BÀI TỐN 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 mơ phỏng bài tốn về tĩnh điện của
phân tử ADN trong dung dịch muối ion 2+ ”, em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới
TS. Nguyễn Thế Tồn – 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, phịng 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 q trình em học tập và hồn
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 TỐN
PHĨNG 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 tốn 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 mơ phỏng Monte Carlo và thuật tốn 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 TỐN LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG HỆ ADN ........................ 40
4.1. Lý thuyết đảo dấu điện tích áp dụng cho bài tốn phóng ADN ra khỏi virus ............................ 41
4.1.1. Lý thuyết tính tốn 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 Mơ hình hệ ADN.............................................................................................................. 46

4.2.2 Kết quả mơ 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 q 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 mơ phỏng Monte Carlo
Hình 4.1. Mơ hình phân tử ADN bên trong vỏ virus
Hình 4.2. Mơ 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 trị 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 địi hỏi nghiên cứu khoa học từ nhiều khía cạnh: sinh học, vật lý, hóa
học và tốn 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 trị quan trọng trong các cấu trúc, chức năng của ADN.
Tƣơng tác tĩnh điện cũng là một trong các yếu tố ảnh hƣởng đến q 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 mơi 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 khơng 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 mơi 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 q 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 mơ phỏng bài tốn về tĩnh điện của phân tử ADN trong
dung dịch muối ion 2+ ”.
2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Trong bài tốn 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
Ngồi 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 tốn
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 tốn 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 mơ phỏng Monte Carlo
Nội dung chƣơng 3 trình bày phƣơng pháp mơ phỏng Monte Carlo và các
thuật toán đƣợc sử dụng trong luận văn.
Chương 4. Kết quả tính tốn lý thuyết và mơ 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
mơ phỏng tốn 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 TỐN PHĨNG 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 địi hỏi nghiên cứu khoa học từ nhiều khía cạnh: sinh học,
vật lý, hóa học và tốn 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 cơng trình nghiên cứu
lý sinh liên quan đến bài toán ngƣng tụ ADN trong vỏ virus (cả quá trình đƣa vào
lẫn q trình phóng ra). Để hiểu rõ các vấn để này, tơi sẽ trình bày sơ lƣợc tổng
quan về ADN, Virus và bài tốn 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 cơng trình nghiên cứu về ADN.
Thậm chí cịn có tạp chí nổi tiếng Nucleic acid research chun 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 vịng đơn cacbon nitrogene với kích thƣớc nhỏ (Pyrimidin), hai loại
base Adenin (A) và Guanin (G) có cấu trúc vịng 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: />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 mơ
hình của J.Oat xơn và F.Cric xây dựng năm 1953. Theo mơ 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 />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 trị 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.
Ngồi mơ 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 />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 tốn 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 cịn cho thấy các khả năng điều
khiển q trình phóng ADN khỏi virus.

12


Ví dụ nhƣ việc đƣa vào các phân tử P.E.G - một phân tử khá lớn không thể
thâm nhập qua vỏ virus. Các phân tử này tạo nên một áp suất thẩm thấu lên vỏ virus
chống lại áp suất thẩm thấu của ADN bên trong vỏ virus. Kết quả là q trình phóng
ADN ra khỏi virus bị giảm hoặc hồn tồn biến mất.

Hình 1.9. Phần trăm số lượng ADN phóng ra khỏi virus phụ thuộc nồng độ P.E.G
(Khi khơng có lamB protein thì virus khóa ADN khơng phóng ra ngồi. Khi có lamb
và tăng nồng độ P.E.G tới 40% ADN cũng khơng phóng ra ngồi)
Nhƣ kết quả ở hình 1.9 khi khơng có protein lamB trên tế bào vật chủ, cổ
virus bị khóa thì phần trăm số lƣợng ADN phóng ra khỏi virus là 0%. Khi có mặt
lamB trên tế bào vật chủ, cổ virus mở ra và 100% ADN phóng ra ngồi. Tiếp đó, ta
lần lƣợt cho thêm và tăng dần nồng độ các phân tử P.E.G thì ta thấy rõ ràng phần

13

trăm số lƣợng ADN phóng ra khỏi virus giảm dần và gần nhƣ bằng không khi nồng
độ P.E.G ở mức 40%.
Ở hình 1.10 cho thấy rõ rằng khi áp suất thẩm thấu tăng do nồng độ P.E.G
trong dung dịch tăng thì phần trăm số lƣợng ADN phóng ra khỏi virus giảm. Khi áp
suất ở 3.5 atm thì phần trăm số lƣợng ADN phóng ra khỏi virus là 50%.

Hình 1.10. Đồ thị biểu diễn phần trăm số lượng ADN phóng ra khỏi virus phụ thuộc
áp suất thẩm thấu.
Ngoài việc thay đổi nồng độ P.E.G thì việc thay đổi nồng độ muối trong
dung dịch cũng ảnh hƣởng tới q trình phóng ADN ra khỏi virus. Bởi vì phân tử
ADN là phân tử tích điện rất mạnh trong mơi trƣờng nƣớc, nên mơi trƣờng ion
trong dung dịch có ảnh hƣởng mạnh tới quá trình phóng ADN khỏi virus. Ở nồng
độ P.E.G cố định, nếu ta thay đổi nồng độ muối của dung dịch thì chúng ta có thể

14


thay đổi số lƣợng ADN phóng ra khỏi virus. Điều khá ngạc nhiên là thực nghiệm
cho thấy, khi ta thay đổi nồng độ muối đơn trị thì khơng ảnh hƣởng mấy đến q
trình phóng ADN khỏi vỏ virus nhƣ với muối Na+ (hình 1.11). Khi ta cố định áp
suất thẩm thấu ở 3.5 atm và thay đổi nồng độ muối NaCl từ 30mM tới 300mM thì
phần trăm số lƣợng ADN ra khỏi virus dao động từ 49% tới 53% so với 50% khi
khơng có muối Na+.

<Percent Ejection> vs. [NaCl]

<Percent Ejection>

55%
54%

53%
52%
51%
50%
49%
48%
0

50

100

150

200

250

300

350

[NaCl] in mM

Hình 1.11. Đồ thị biểu diễn phần trăm số lượng ADN phóng ra khỏi virus
phụ thuộc nồng độ muối Na+ tại áp suất thẩm thấu 3.5 atm
Ngƣợc lại với muối đa trị nhƣ muối Mg2+, CoHex3+, Spd3+, Spm4+... có ảnh
hƣởng rất lớn, khác với muối đơn trị cả về định tính lẫn định lƣợng.

15

Hình 1.12. Đồ thị biểu diễn phần trăm số lượng ADN phóng ra khỏi virus phụ thuộc
nồng độ muối ion đa trị.
Trên hình 1.12 là kết quả thực nghiệm việc ADN phóng ra khỏi virus phage
𝜆 ở 3,5 atm áp suất thẩm thấu của P.E.G đƣợc biểu diễn theo hàm của nồng độ muối
MgSO4. Ba màu khác nhau tƣơng ứng mới ba mẫu thí nghiệm khác nhau. Rõ ràng
là hình vẽ cho thấy ảnh hƣởng của các muối đa trị lên q trình phóng ADN là
khơng đơn điệu. Có một nồng độ tối ƣu mà số lƣợng ADN phóng khỏi virus phage
𝜆 là nhỏ nhất. Ở nồng độ thấp hơn hoặc cao hơn nồng độ tối ƣu này thì số lƣợng
ADN phóng ra đều cao hơn.

16


Nhƣ vậy, từ các kết quả thực nghiệm trên cho ta thấy sự khác biệt rõ ràng
giữa muối đa trị và đơn trị trong sự ảnh hƣởng của chúng lên q trình phóng ADN
ra khỏi virus. Đồng thời nó cũng cho ta thấy rõ sự phụ thuộc không đơn điệu của
q trình phóng ADN với nồng độ muối đa trị là rất lý thú.

17