[发明专利]一种面向中学教学的三维DNA构象的交互式参数化模拟方法

说明书

本发明涉及一种面向中学教学的交互式参数化的三维DNA构象模拟方法，以双向链表为底层数据结构生成DNA碱基序列片段单链1#和与之相匹配但含有错误的另一单链2#，交互式矫正单链2#的极性方向以及碱基互补配对错误，模拟DNA一级结构；在此基础上，交互选择DNA的类型，计算双螺旋二级结构的局部参考标架，根据标架模拟DNA碱基对边堆叠边螺旋的动态过程并在三维模型上显示各个二级结构参数；通过交互式编辑空间曲线更新局部参考标架，使线状DNA双链在空间中弯曲缠绕，模拟DNA从线状到弯曲状再到任意盘曲缠绕状的各种超螺旋高级结构。本发明能交互式模拟并展示DNA构象，有助于加快并加深学生对DNA构象的理解和认识。

技术领域

本发明涉及涉及计算机仿真领域和教育领域，特别是一种面向中学教学的三维DNA构象的交互式参数化模拟方法。

背景技术

DNA分子的空间结构是高中生物课程的重要内容，脱氧核苷酸单链是无法稳定存在的，那么由这样的长链组成的DNA分子需要具备怎样的结构才能稳定存在并且遗传给后代呢？此外，生物大分子如何通过DNA分子组成原子的特定空间排布(也称构象)实现了生物分子间高度专一的相互作用，对探究学习中理解生物分子的结构和功能具有重要意义。

深入认识和了解DNA分子之组成原子的空间排布，有助于学生从分子水平上进一步认识基因的本质，为DNA的复制、基因的表达、生物的变异等后续内容的学习、深化和拓展进行必要的知识铺垫。

现有技术的不足：

传统的DNA技术研究仅侧重于DNA的一维线性序，只能在一维或二维平面上进行相应的模型设计，无法清晰地展示其三维空间几何形态和结构。随着染色质构象捕获技术及其衍生技术的不断发展，人们发现，DNA遗传信息不仅由一级结构(核苷酸顺序)决定，其3D几何结构也发挥着重要作用，有关的染色质高级构象的三维结构差异在解释自然发生与疾病相关遗传变异中越来越重要。但受技术所限，三维基因组研究目前尚处于描述阶段，还无法给出DNA几何结构如何决定生物学功能的全面解释。

现有对DNA空间几何结构的研究，需要计算能量的改变来确定DNA空间几何结构的不同构象，侧重于复杂的数值计算，直观性、可操作性差。现有技术中采用OpenGL进行模拟，但以输入方程的方式直接模拟DNA缠绕模型，用户参与度低，交互性差。此外，现有的用于中学教学的相关DNA资料，都是以示意图和视频为主，涉及DNA构象的描述不仅粗略而且数量稀少，不仅无法清晰呈现DNA分子的微观几何结构，更无法说明DNA三维几何结构和生物学功能之间的关系。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种面向中学教学的三维DNA构象的交互式参数化模拟方法，能够交互式模拟并展示DNA分子的多级构象，提高学生的参与度和主动性。

本发明采用以下方案实现：一种面向中学教学的三维DNA构象的交互式参数化模拟方法，基于OpenGL标准图形接口进行模拟，包括以下步骤：

步骤S1：在VR/AR环境下，按给定的错误率以正射投影方式构建DNA分子的反向互补平行的一级结构，交互式矫正DNA分子一级结构的错误；

步骤S2：在VR/AR环境下，以步骤S1所建立的一级结构为参照，交互式模拟DNA反向双螺旋链在三维空间中的动态生成过程，通过调节参数实现不同形式的DNA二级结构；

步骤S3：通过交互式编辑空间曲线，在三维空间中模拟DNA分子从线状到弯曲状再到任意盘曲缠绕的超螺旋形状的各种高级结构的形成过程；所述弯曲状包含环状和螺线管状。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：随机给出24～50之间的一个随机数N，用以表示某DNA分子的一条多核苷酸链片段上具有N个碱基，要求学生回答DNA一级结构的排列方式有多少种，随机给出包含正确答案的多个选项；所述正确答案为4的N次幂，由学生交互式作答；回答正确的，则进入步骤S2；否则，重复执行步骤S1，直至学生点选原理解释；