DNA分子是生物体中的遗传物质，它携带着生物体的所有遗传信息。通过DNA的复制，生物体可以复制自身所携带的遗传信息，并将自己的遗传信息传递下去。通过DNA转录过程将遗传信息表达出来。随着DNA研究的进一步深入，DNA作为一种新型的材料已经越来越为人们所关注。科学家利用互补DNA单链会形成双链结构的特点，制成了DNA生物传感器，纳米机器和以DNA分子为引导的自组装材料。无论是在生物过程中，还是在新兴的纳米科技领域，都利用了DNA的单链复合成双链的过程。因为DNA复合过程是发生在原子尺度上DNA构象的变化，而且不涉及电子转移的问题，分子动力学模拟是研究这个问题最合适的手段。03年开始科学家就开始利用分子动力学研究单个碱基对打开的过程。最近，DNA/RNA发卡的折叠过程(其中包含碱基对的复合过程)引起了人们的广泛关注，利用分子动力学模拟的手段，科学家们发现了在折叠过程中存在过渡态和疏水塌缩现象。在实验上，DNA复合过程也已经被广泛的研究。科学家们发现DNA复合过程具有non-Arrhenius的行为，在DNA/RNA发卡折叠过程中找到了过渡态存在的实验证据。尽管DNA复合过程的研究已经取得了如此丰富的结果，但是DNA复合过程的机制还远远没有被完全的理解。　　 本文通过分子动力学的方法主要研究了DNA逐个碱基复合的过程；以及在逐渐增加相对3’端和5’端的距离的情况下，一段含有22个碱基对的DNA分子的结构变化。在逐个碱基对复合的研究中，我们发现打开的碱基对成功配对复合的概率依赖于初始的未形成碱基对时DNA的结构。即依赖于未配对的碱基对与其相邻的已经配对的碱基对的溶液可及表面积。溶液可及表面积描述这两个碱基对与周围水的接触情况。溶液可及表面积越小，说明两个碱基对周围的水分子数越少。这将引起整个系统的焓减小，因为碱基表面是疏水的不能与水分子形成氢键，有更多的水进入体相水中可以减少水分子未配对的氢键数日。这是除碱基之间氢键相互作用之外，DNA复合的另一个驱动力。重要的是，在A-T和G-C碱基对中我们都发现了亚稳态结构。在A-T碱基对复合过程中发现的两个亚稳态结构都包含一个水分子，这个水分子连接起两个碱基，起到稳定结构的作用。这些亚稳态结构造成了在形成Watson-Crick碱基对过程中遇到的势垒。我们的数值模拟结果显示，大多数的亚稳态结构在较高的温度下都会成为Watson-Crick碱基对，这个结果表明这些由亚稳态结构造成的势垒在较高的温度下是可以被热涨落克服的。据我们所知，这是第一次报道有关我们发现的Metal结构。虽然我们发现的Meta2的结构已经在零温下由第一性原理计算给出，但是我们的模拟第一次揭示了这个结构在室温下也可以稳定的存在。我们发现在G-C碱基对复合过程中也存在类似的亚稳态结构。在拉伸DNA分子的模拟中，两种拉伸方法(拉伸33端和拉伸55端)引起了DNA分子不同的结构变化。将3’端拉伸3.5nm需要142 kJ/mol的能量，拉力平台的高度大约为80pN；相应的将5’端拉伸同样的长度，需要190 kJ/mol的能量，拉力平台的高度大约为100pN.拉伸3’端导致DNA分子双螺旋结构更大的解旋和相邻的碱基对向DNA分子的小沟方向翻转。与之相反，拉伸5’端使得相邻碱基对向DNA分子的大沟方向翻转并且使得整个DNA分子的直径减小。拉伸3’端和拉伸5’端最大的不同在于拉力的平台区域，拉伸5’端导致DNA中碱基对的打开，这些打开的碱基对又会对DNA双螺旋结构的稳定性带来很大的影响。对于两种拉伸方法，碱基的转动和平动自由度发生变化的位置都在拉力平台开始的位置，也就是DNA的相对长度l为1.2的位置。模拟结果对于理解DNA复合过程中的物理机制和DNA复合相关的过程(聚合酶链式反应，DNA传感器的工作原理，以DNA为材料的纳米器件的组装过程)具有重要的意义。复合过程物理机制的理解是对于设计制造实验上可用的快速复合仪器或实验流程具有重要的意义。在不同拉伸方式下DNA的结构的变化帮助我们理解"DNA熔化"是如何在拉伸过程中发生的。这些关于DNA在不同拉伸方法下的结构变化也将有利于我们理解DNA-蛋白质相互作用。