DNA在细胞核中与蛋白质相互作用并结合形成核小体,再经过多层压缩后形成染色体。核小体动力学主要研究DNA与组蛋白的相互作用下核小体受力、结构形成过程,是“蛋白质组研究计划”的核心研究内容之一。核小体动力学的研究可指导DNA组装、蛋白质工程化生产等生物制造工艺。在微流控芯片和生物芯片设计领域,DNA和蛋白质的运动规律也是迫切需要解决的问题。因此,核小体动力学的研究成果可直接用于指导生物微流控芯片设计。本文从机械系统动力学交叉学科的视野出发,针对核小体动力学中的多尺度现象,采用多尺度数值模拟方法对核小体形成、缠绕、压缩过程及各影响因素和动力学特性进行了研究。取得的研究进展如下：核小体动力学模拟的多尺度模型研究DNA经过几个不同的分级包装后紧密地形成染色质,其最基本组成单元就是核小体。一般一个核小体由一个组蛋白八聚体和DNA组成,带负电的DNA以左旋的方式缠绕在阳离子蛋白质核上。本文根据染色体DNA在空间压缩的结构模型,基于DNA链虚拟蠕虫链球-杆连接的力学模型和组蛋白八聚体各向同性球模型,分析了连接DNA的拉伸势能、弯曲势能和扭转势能的弹性能量。给出了核小体系统受液动力、弯曲力和排除体积力等的动力学控制方程,建立了核小体动力学数学模型。核小体动力学模拟的多尺度算法研究多尺度方法对于研究DNA经过压缩形成纤维体和核小体的过程是很有必要,可解决了单一纤维体和核小体层次无法解释的理论及过渡现象。本文构建核小体动力学多尺度模拟的流程。使用分子动力学方法研究了单个核小体的动力学,组蛋白和组蛋白尾部动力学；使用布朗动力学方法模拟了DNA和组蛋白相互作用形成核小体的过程；使用蒙特卡罗方法模拟了核小体的压缩过程和形成染色质过程；然后将每一递推尺度上的“解”或信息,传递或耦合于粗粒化尺度上进行核小体动力学的多尺度模拟。本文提出了一种基于多核计算机模拟核小体动力学的多尺度方法,能够解决多个参数同时变化的跨层次多尺度耦合与转化问题,研究了跨层次多尺度核小体动力学问题。核小体动力学模拟软件开发本文在课题组开发的多个版本核小体动力学模拟软件基础上,开发了可视化参数化的核小体动力学模拟软件。可对核小体、DNA及组蛋白形成多结构的拉伸及缠绕过程进行模拟。建立了核小体平衡动力学模块、核小体非平衡动力学模块及多尺度核小体动力学模块。新开发的软件加速了核小体的仿真速度,且得到的结果与用全原子方法得到的结构特征参数一致。核小体缠绕过程模拟本文模拟了单个核小体的缠绕过程、核小体受限形成纳米尺度染色质过程,模拟了DNA链和组蛋白相互作用形成核小体的动力学过程及在液动力作用下核小体形成的动态过程。研究结果表明：DNA链与组蛋白的缠绕受溶液浓度影响。只有当溶液浓度适中时,才会发生DNA链和组蛋白的缠绕；当溶液浓度较低时,DNA链局部缠绕组蛋白；当溶液浓度较高时,DNA单体和组蛋白间吸引力较小,二者不会发生缠绕。核小体拉伸过程模拟在基因转录和复制开始前核小体可能又变为展开的结构,此时组蛋白八聚体从DNA链上剥离,自发地将组蛋白从DNA链上剥离提供了一种使转录组织接近核小体DNA的方法。本文研究了核小体结构进一步压缩的动态变化过程,引入权重系数概念表征了核小体间相互作用对螺线管结构的影响；考虑连接蛋白H1和H5的带电性,分析核小体进一步压缩过程中连接蛋白的作用和压缩规律。研究得出：核小体拉伸模拟中,当作用在核小体DNA两端的力较小时,只有外圈DNA从组蛋白八聚体表面脱离；当拉伸力较大时,将近两圈DNA都从组蛋白八聚体表面脱离,最终DNA链上只有B位点仍与组蛋白接触。核小体的多尺度模拟本文基于多尺度模拟对多个核小体动力学、空间受限核小体动力学、DNA链与两个组蛋白相互作用、多价溶液对核小体动力学的影响等问题做了初步探讨。将DNA链缠绕单个组蛋白八聚体扩展到单条DNA链缠绕两个组蛋白八聚体,解决了从DNA第一层空间压缩过渡到第二层空间压缩的问题。对比在考虑及不考虑DNA链上位点时,拉力作用下组蛋白从DNA链上剥离下来的动力学过程及核小体DNA拉伸随时间的变化。研究了长链DNA与多个组蛋白相互作用的动力学过程。并考虑不同离子化合价情况下溶液浓度对核小体结构的影响。研究结果表明：随着溶液中离子化合价增大,Debye长度增大,DNA单体和组蛋白间吸引力减小,吸引力的衰减也变快,使DNA链缠绕组蛋白的概率达到最优值时对应的盐溶液浓度值减小,并且发生二者缠绕时对应的盐溶液浓度的范围也变小。本文提出了一种模拟多价离子溶液影响核小体动力学的方法。DNA单体和组蛋白间静电吸引力的大小不仅受到盐浓度的影响,还与溶液中的离子化合价有关。本文的研究成果充实和完善了跨层次生物基础统一性问题。同时,论文中所研究的多尺度数值模拟方法和程序对于多尺度机械设计理论也具有普遍应用价值。