The kinetoplast DNA (kDNA) is the archetype of a two-dimensional Olympic network, composed of thousands of DNA minicircles and found in the mitochondrion of certain parasites. The evolution, replication and self-assembly of this structure are fascinating open questions in biology that can also inform us how to realise synthetic Olympic networks in vitro. To obtain a deeper understanding of the structure and assembly of kDNA networks, we sequenced the Crithidia fasciculata kDNA genome and performed high-resolution Atomic Force Microscopy (AFM) and analysis of kDNA networks that had been partially digested by selected restriction enzymes. We discovered that these topological perturbations lead to networks with significantly different geometrical features and morphologies with respect to the unperturbed kDNA, and that these changes are strongly dependent on the class of DNA circles targeted by the restriction enzymes. Specifically, cleaving maxicircles leads to a dramatic reduction in network size once adsorbed onto the surface, whilst cleaving both maxicircles and a minor class of minicircles yields non-circular and deformed structures. We argue that our results are a consequence of a precise positioning of the maxicircles at the boundary of the network, and we discuss our findings in the context of kDNA biogenesis, design of artificial Olympic networks and detection of in vivo perturbations.

There is a long-standing experimental observation that the melting of topologically constrained DNA, such as circular-closed plasmids, is less abrupt than that of linear molecules. This finding points to an important role of topology in the physics of DNA denaturation, which is however poorly understood. Here, we shed light on this issue by combining large-scale Brownian Dynamics simulations with an analytically solvable phenomenological Landau mean field theory. We find that the competition between melting and supercoiling leads to phase coexistence of denatured and intact phases at the single molecule level. This coexistence occurs in a wide temperature range, thereby accounting for the broadening of the transition. Finally, our simulations show an intriguing topology-dependent scaling law governing the growth of denaturation bubbles in supercoiled plasmids, which can be understood within the proposed mean field theory.

The computational modelling of DNA is becoming crucial in light of new advances in DNA nanotechnology, single-molecule experiments and in vivo DNA tampering. Here we present a mesoscopic model for double stranded DNA (dsDNA) at the single nucleotide level which retains the characteristic helical structure, while being able to simulate large molecules--up to a million base pairs--for time-scales which are relevant to physiological processes. This is made possible by an efficient and highly-parallelised implementation of the model which we discuss here. We compare the behaviour of our model with single molecule experiments where dsDNA is manipulated by external forces or torques. We also present some results on the kinetics of denaturation of linear DNA.

Colloids dispersed in nematic liquid crystals form topological composites in which colloid-associated defects mediate interactions while adhering to fundamental topological constraints. Better realising the promise of such materials requires numerical...

How type 2 Topoisomerase (TopoII) proteins relax and simplify the topology of DNA molecules is one of the most intriguing open questions in genome and DNA biophysics. Most of the existing models neglect the dynamics of TopoII which is characteristics for proteins searching their targets via facilitated diffusion. Here, we show that dynamic binding of TopoII speeds up the topological relaxation of knotted substrates by enhancing the search of the knotted arc. Intriguingly, this in turn implies that the timescale of topological relaxation is virtually independent of the substrate length. We then discover that considering binding biases due to facilitated diffusion on looped substrates steers the sampling of the topological space closer to the boundaries between different topoisomers yielding an optimally fast topological relaxation. We discuss our findings in the context of topological simplification in vitro and in vivo.