PERL Programming III: Modelling DNA Thermodynamics

After a long pause, the adventure in the PERL programming language series continues with another example of biophysics and molecular biology science application.This time, we are going to make a program to model the effect of the temperature on DNA stability in solution.

The effect of temperature DNA structure integrity plays an important role in molecular biology applications. For example, the DNA amplification method based on polymerase (the PCR method) is based on a series of temperature cycles to separate the two strand of DNA to replicate. DNA primers are used to initiate the process and the knowledge of their melting temperature (Tm) play an important role in optimizing the DNA amplification process.

The first attempts to create a model of DNA thermodynamics date back to the beginnings of 1960. Studies pionered by the groups of Zimm [1] and Tinoco [2], have shown that the relative stability of a double-stranded DNA molecule depends primarily on the nature of the nearest-neighbor bases along the sequence. This finding brought to the formulation of a simple mathematical model (called the nearest-neighbor (NN) model) to predict relative stabilities of double stranded DNA according to the nucleotide sequence [see Cantor]. Subseguently, the NN model was further improved by the contribution of several research groups. In particular, Santalucia and co-workers. proposed a set of parameters for the NN model that provides an excellent prediction of the thermodynamic properties of short DNA homo oligonucleotides and are commonly used to calculate the stability of DNA primers used for PCR applications.

In this third article on PERL programming, I will give some indication on how to implement a simple version of the NN model. To make more fancy the programming task, we are also going to provide the program with a simple Graphical user interface using PERL/Tk.

Continue reading

Retro Programming Nostalgia: il Commodore Amiga e la Visualizzazione Molecolare

Italia anno 1989, era l’era del Commodore Amiga con la sua demo di BOING, la pallina bianca e rossa che rimbalzando ha conquistato il cuore di milioni di giovani che hanno vissuto la rivoluzionaria invenzione del personal computer.

Continue reading

La Spettroscopia XANES

Questo blog contiene un estratto del capitolo introduttivo sulla spettroscopia XANES della mia tesi di laurea che discussi 25 anni fa, per cui gli argomenti non sono molto aggiornati anche se il contenuto riportato è di carattere generale. 

Spettri di assorbimento di raggi X

Fino agli inizi del 1970 c’è stata una netta distinzione tra le tecniche di spettroscopia di assorbimento e quelle di diffrazione dei raggi X. La diffrazione era tradizionalmente considerata lo strumento più importante per la determinazione della struttura atomica di un composto, mentre l’assorbimento e l’emissione di raggi X erano usati per comprenderne la struttura elettronica. Continue reading

La Programmazione della Unix Shell

Questo blog contiene  una breve introduzione alla programmazione della Unix shell csh/tcsh. Per altri tipi di shells, il lettore può consultare manuali dedicati a questo argomento riportati nella bibliografia alla fine di questa questo blog. Continue reading

Il calcolo della entalpia reticolare: il ciclo di Born-Haber

La stabilità di un reticolo cristallino, in condizioni di T e P costanti, è legata all’ energia libera di Gibbs di formazione del reticolo:

\displaystyle M^+(g) + X^-(g) \rightarrow MX(s) \ \ \ \ \ (1)

\displaystyle \Delta G^{\circ} = \Delta H^{\circ} - T \Delta S^{\circ} \ \ \ \ \ (2)

Se {\Delta G^{\circ}} risulta più negativa per la formazione della struttura {I} che per quella della struttura {II}, la transizione {II \rightarrow I} sarà spontanea e il solido avrà quella struttura.

Continue reading

The calculation of the Madelung constant

A previous article showed that the electrostatic term of the lattice energy of a crystal contains a factor (A) that depends on the type of crystalline reticulum. This article will look more in detail how to calculate this term and its value for a simple ionic system.

The total Coulomb interaction energy of a crystal is given by the sum of the single pair interaction terms:

\displaystyle V_{AB} = \frac{e^2}{4\pi\epsilon_0} \frac{Z_AZ_B}{r_{AB}} \hfill (1)

for ions with charges qA and qB and distance rAB.  The sum extends to all pairs of ions present in the solid for any crystalline structure.

The sum converges very slowly because the first neighbours give a first substantial contribution with a negative summation term. Second neighbour atoms produce a slightly weaker positive term. It then continues to infinity with terms of alternating signs by smaller and smaller values. In this way, the resulting effect will be that the attraction between cations and anions predominates and provides a favourable negative contribution to the solid’s energy.

Continue reading

Introduzione alla Dinamica Molecolare

img_20171019_174056.jpg


  • Lex. I. Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nili quatenus a viribus impressis cogitur statum illum mutare.

  • Lex. II. Muationem motus proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri fecundum lineam rectam qua vis illa imprimitur.
  • Lex. III. Actioni contrariam semper et equalem esse reactionem: sive corporum duorum actiones in se mutuo semper esse aequales et in partes contrarias dirigi.

 

Isaac Newton.
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.
London, 1686.


 

Nel 1648 Isaac Newton diede alle stampe la sua prima edizione dei Principia Mathematica, uno dei più grandi capolavori scientifici di tutti i tempi.  Nelle prime pagine di questa  summa scientifica si trovano enunciate le famose tre leggi che portano il suo nome, dalle quali ha avuto inizio la fisica-matematica classica. Continue reading

The Lignin Peroxidase

Lignin Peroxidase (LiP), a hemoprotein isolated from the ligninolytic cultures of the white-rot fungus Phenerochaete Chrysosporium is one of the most important lignin-degrading enzymes. We have investigated the dynamical and structural properties of lignin peroxidase and its Trp171Ala mutant in aqueous solution using MD simulations [1].

Continue reading

Molecular Machines within us: The human neutrophil collagenase MMP8

Human neutrophil collagenase (HNC, MMP8) is one of the target enzymes for drug treatment of pathologic extracellular matrix degradation. Peptidomimetic inhibitors bind in the S-side of the enzyme active site occupying the S1 primary specificity pocket by their large hydrophobic side-chains. Continue reading