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Effect of the Base-Pair Sequence on B-DNA Thermal Conductivity
The Journal of Physical Chemistry B ( IF 2.8 ) Pub Date : 2021-09-17 , DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c04318 Vignesh Mahalingam 1 , Dineshkumar Harursampath 1
The Journal of Physical Chemistry B ( IF 2.8 ) Pub Date : 2021-09-17 , DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c04318 Vignesh Mahalingam 1 , Dineshkumar Harursampath 1
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The thermal conductivity of double-stranded (ds) B-DNA was systematically investigated using classical molecular dynamics (MD) simulations. The effect of changing the base pair (bp) on the thermal conductivity of dsDNA needed investigation at a molecular level. Hence, four sequences, viz., poly(A), poly(G), poly(CG), and poly(AT), were initially analyzed in this work. First, the length of these sequences was varied from 4 to 40 bp at 300 K, and the respective thermal conductivity (κ) was computed. Second, the temperature-dependent thermal conductivities between 100 and 400 K were obtained in 50 K steps at 28 bp length. The Müller-Plathe reverse nonequilibrium molecular dynamics (RNEMD) was employed to set a thermal gradient and obtain all thermal conductivities in this work. Moreover, mixed sequences using AT and CG sequences, namely, A(CG)nT (n = 3–7), ACGC(AT)mGCGT (m = 0–5), and ACGC(AT)nAGCGT (n = 1–4), were investigated based on the hypothesis that these sequences could be better thermoelectrics. One-dimensional lattices are said to have diverging thermal conductivities at longer lengths, which violate the Fourier law. These follow the power law, where κ ∝ Lβ. At longer lengths, the exponent β needs to satisfy the condition β > 1/3 for divergent thermal conductivity. We find no such significant Fourier law violation through divergence of thermal conductivities at 80 bp lengths or 40 bp lengths. Also, in the case of the second study, the presence of short (m ≤ 2) encapsulated AT sequences within CG sequences shows an increasing trend. These results are important for engineering DNA-based thermal devices.
中文翻译：
碱基对序列对 B-DNA 热导率的影响
使用经典分子动力学 (MD) 模拟系统地研究了双链 (ds) B-DNA 的热导率。改变碱基对 (bp) 对 dsDNA 热导率的影响需要在分子水平上进行研究。因此，在这项工作中最初分析了四个序列，即 poly(A)、poly(G)、poly(CG) 和 poly(AT)。首先，这些序列的长度在 300 K 时从 4 到 40 bp 不等，并计算各自的热导率 (κ)。其次，在 28 bp 长度下以 50 K 步长获得 100 到 400 K 之间的温度相关热导率。Müller-Plathe 反向非平衡分子动力学 (RNEMD) 用于设置热梯度并获得这项工作中的所有热导率。此外，使用 AT 和 CG 序列的混合序列，即 A(CG)n T ( n = 3–7), ACGC(AT) m GCGT ( m = 0–5) 和 ACGC(AT) n AGCGT ( n = 1–4) 是基于这些序列可以是更好的热电。据说一维晶格在较长的长度上具有发散的热导率，这违反了傅立叶定律。它们遵循幂律，其中 κ ∝ L β。在更长的长度上，指数 β 需要满足条件 β > 1/3 才能发散热导率。我们发现 80 bp 长度或 40 bp 长度的热导率发散没有发现如此严重的傅立叶定律违反。此外，在第二项研究的情况下，短 ( m≤ 2) CG 序列内封装的AT 序列呈增加趋势。这些结果对于设计基于 DNA 的热设备很重要。
更新日期：2021-09-30
中文翻译：
碱基对序列对 B-DNA 热导率的影响
使用经典分子动力学 (MD) 模拟系统地研究了双链 (ds) B-DNA 的热导率。改变碱基对 (bp) 对 dsDNA 热导率的影响需要在分子水平上进行研究。因此，在这项工作中最初分析了四个序列，即 poly(A)、poly(G)、poly(CG) 和 poly(AT)。首先，这些序列的长度在 300 K 时从 4 到 40 bp 不等，并计算各自的热导率 (κ)。其次，在 28 bp 长度下以 50 K 步长获得 100 到 400 K 之间的温度相关热导率。Müller-Plathe 反向非平衡分子动力学 (RNEMD) 用于设置热梯度并获得这项工作中的所有热导率。此外，使用 AT 和 CG 序列的混合序列，即 A(CG)n T ( n = 3–7), ACGC(AT) m GCGT ( m = 0–5) 和 ACGC(AT) n AGCGT ( n = 1–4) 是基于这些序列可以是更好的热电。据说一维晶格在较长的长度上具有发散的热导率，这违反了傅立叶定律。它们遵循幂律，其中 κ ∝ L β。在更长的长度上，指数 β 需要满足条件 β > 1/3 才能发散热导率。我们发现 80 bp 长度或 40 bp 长度的热导率发散没有发现如此严重的傅立叶定律违反。此外，在第二项研究的情况下，短 ( m≤ 2) CG 序列内封装的AT 序列呈增加趋势。这些结果对于设计基于 DNA 的热设备很重要。
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