CONFERENCE

ON

DNA PHYSICS 2017(9-11 March, 2017)

Programme and Abstracts

Department of Physics

Birla Institute of Technology & Science, Pilani 

Pilani Campus, Rajasthan (India)

ADVISORS TO THE ORGANIZING TEAM

Marco Zoli, University of Camerino, ItalyGautum Menon, Institute of Mathematical Sciences, IndiaPankaj Mishra, Indian School of Mines, IndiaFlavio Seno, University of Padova, ItalyDebaprasad Giri, IIT-BHU, Varanasi, IndiaGerald Weber, Federal University of Mina Gerais, BrazilRalf Metzler, University of Potsdam, Germany

Chief PatronProf. Souvik BhattacharyyaVice-Chancellor, Birla Institute of Technology & Science, PilaniPatronProf. A.K. SarkarDirector, Birla Institute of Technology & Science, Pilani, Pilani CampusChairProf. Anshuman DalviHead, Department of PhysicsConvenerDr. Navin SinghCo-convenersDr. J.N. BandyopadhyayProf. R.K. Gupta

Local Organizing Team

Amol HolkundkarBiswanath LayekDebashis BandyopadhyayDebi Dutt PantKaushar Vaidya Kusum Lata Madhukar Mishra Manjuladevi VNiladri Sarkar R.R. MishraRakesh ChoubisaRishikesh VaidyaSindhu SSrijata DeyS.N. KarbelkarSubhashis GangopadhyayTapomay Guha Sarkar

Student’s support

AditiArghyaCaptainDinachandraIshaanNeelakshiPrachiPradeepParulRajeevRitikaShivaniSumitaTridev

Office Staff

Shrikant SharmaRajeev GaurVirendra Yadav

SPONSORS: CSIR, DST-SERB, DRDO, DST (Rajasthan)

2

From Convener’s desk

It gives me immense pleasure to welcome all in the conference DNA Physics 2017. DNA is known to

be the molecule of life. It contains code of our life and is known to be one of the very complex as well

as interesting molecule. Researchers around the globe, regardless of their categorization as biologists,

microbiologists, physicists, engineers etc, are putting lot of efforts to understand the complex structure

and behaviour of this spectacular molecule. All are busy to unravel the secrets lying beneath the basis of

genetic code and its possible applications.

The essential aim of this conference is to bring together all the researhers whose focus is revolving

around the DNA molecule; be it fundemental or application research. On behalf of the organzing team

of the conference I sincerely hope that  this  conference will  be immensely helpful  in advancing the

existing knowledge and will lead to unravelling of further dimensions in this field. 

Personally, I would like to thank all the members of Department of Physics and the members of Pilani

campus who put their sincere support in organizing this event. At the end, the financial support from

CSIR, DST­SERB, DST (Rajasthan), DRDO, New Delhi, India are gratefully acknowledged.

Navin Singh

(Convener, DNA Physics 2017)

3

I I I Day (11-03-2017) (Sat urday )

SES SI ON – VI IC hair : A. Sain

9:00 – 9:30 AM A.N. Gupta9:30 – 10:00 AM Alok Shah

10:00 – 10:20 AM Rajdeep Choudhury10:20 – 10:35 A M Te a

SES SI ON – VI I IC hair : S . J alan

10:35 – 10:55 AM Rajesh Mehrotra10:55 – 11:15 AM Ashok Garai11:15 – 11:30 AM Concluding Remarks

12:30 PM - Lunch

I Day (09-03-2017) (Thur sd ay ) I I Day (10-03-2017) (Fr id ay )8.30 AM – 9.00 AM Registration9:00 – 9:30A M Ina ugura ti on SES SI ON – IV

9:30 – 10:00 A M Te a & Photo C hair : S .M. Bhat t achar jee9:00 – 9:45 AM S. Kumar

SESSI ON – I 9:45 – 10:30 AM M. PeyrardChair : Y. S ing h 10:30 – 10:45 A M Te a

10:00 – 10:45 AM S.M. Bhattacharjee10:45 – 11:30 AM Hermann Gaub S ES S ION – V

11:30 – 12:00 Noon G.V. Soni C hair : M. Pey rard12:00 – 12:30 PM R. Chakrabarti 10:45 – 11:15 AM Y. Singh12:30 – 12:55 PM D. Das 11:15 – 11:45 AM Rajeev Kapri

1:00 – 2:30 Lunch 11:45 – 12:15 PM S. Jalan12:15 – 12:35 PM J. Maji

SESSION – I I 12:35 – 1:00 PM Ajay AgarawalChair : H. Gau b 1:00 – 2:30 PM Lunch

2:30 – 3:00 PM P. Ranjith3:00 – 3:30 PM P.K. Mishra SESSION – VI

3:30 – 3:50 PM Te a C hair : S . Kumar2:30 – 3:00 PM A. Sain

SE SSION – I I I 3:00 – 3:20 PM P. DebnathChair : R. Kapr i 3:20 – 3:40 PM M. Suman Kalyan

3:50 – 4:20 PM G. Mishra 3:40 – 4:00 PM Himanshu Joshi4:20 – 4:40 PM Apratim Chatterji 4:00 – 5:30 PM Te a & Poste r4:40 – 5:00 PM Abhijit Ghosh

6:00 – 7:00 PM Visit to Sarswati Temple

Confe re nce di nne r a t VFA ST a t 8:00 PM D i nne r a t 8:00 PM in VFA ST

INVITED AND CONTRIBUTORY

TALKS

Perturbing DNA near its melting point

Somendra M Bhattacharjee

Institute of Physics, Bhubaneswar, India

Two different perturbations, force and a third strand, near the melting point of a double stranded DNA

will be considered in this talk.   We show how a thermodynamic hypothesis provides the nature of the

force induced unzipping phase boundary near the melting point.   We then discuss the role of bubble

fluctuations in establishing a long range attraction that leads to the state of three chain bound state when

no two are bound, a thermal analogue of the quantum Efimov effect.

1

DNA as molecular force sensor

H.E Gaub

Lehrstuhl für Angewandte Physik und Center for NanoScience,

Ludwig­Maximilians­Universität Amalienstr. 54 80799 München, Germany

The rapid development of scanned probe technologies allowing the precise application and measurementof minute forces has opened exciting new perspectives in bio­analytics. Interactions of DNA with otherpoly­nucleotides, with proteins and also small ligandscould be measured with unparalleled precision.However, the wide spread use of AFM­based bio­analytics is hampered by the limited throughput. Wedeveloped DNA­based molecular force balances as an alternative approach to measure the unbindingforce of inter­molecular bonds in a differential format by comparison with a known reference bond. Inaddition to a marked increase in sensitivity and force resolution, this new approach allows for a parallelassay format, which is a prerequisite for most bioanalytical applications.The second block of  this presentation will focus on the use of DNA as a programmable nano­tool.Bottom   up   assembly   of   functional   molecular   ensembles   with   novel   properties   emerging   fromcomposition   and   arrangement   of   its   constituents   is   a   prime   goal   of   nanotechnology.   With   thedevelopment of Single­Molecule Cut­and­Paste (SMC & P) we provided a platform technology for theassembly of biomolecules at  surfaces.It  combines the Å  positioning precision of  the AFM with theselectivity of DNA hybridization to pick individual molecules from a depot chip and allows to arrangethem on a construction site one by one.  Anchors and handles are  typically composed of DNA, butalternatively a broad range of ligand­receptor systems may be employed.

2

Nucleotide and Nucleo­protein Complexes detection using Nanopore platform

Gautam V. SoniRaman Research Institute, Bangalore 560080, India

Structure ­ Function relationship is ubiquitous in almost all of the nature's self­assembled systems. I will

introduce nanopore biophysics and its biosensing capabilities for studying structural heterogeneities in

biological systems. Spanning applications from technology to biology, I will first present my work on

developing nanopore­based novel DNA sequencing technology. This combines ultrafast single molecule

fluorescence microscopy to nanopore mesaurements to read out DNA sequence. In the second part of

my talk,   I  will  show first  ever  application of  solid­state  nanopores  in  screening structural  states  of

nucleosomes and chromatin. Finally, I will show the new type of nanopore devices that we have built in

our lab and preliminary single molecule detection using them.

3

Probing the Dynamics of Nucleic acids in Presence of Carbon­Based Nanostructures

Soumadwip Ghosh and Rajarshi ChakrabartiDepartment of Chemistry, Indian Institute of Technology Bombay, Powai, Mumbai – 400076, India

The   hybrids   formed   between   single   stranded   DNA   (ssDNA)   and   single   walled   carbon   nanotubes

(SWCNT) are promising candidates for gene delivery vehicles. Using atomistic molecular dynamics

(MD)   simulations   we   show   that   ssDNA   wraps   helically   around   the   rigid   SWCNT   at   low   NaCl

concentration of the medium whereas at high salt concentration the binding gets weakened significantly

[1].  This   is  because of   the fact   that   flexible ssDNA adopts a  compact  coil­like state  at  higher  salt

concentration where the nucleobases undergoes self­stacking and their affinity for the CNT sidewall

decreases. This is in good agreement with the divalent salt assisted structural collapse of the ssDNA

where a significant conformational transition from the collapsed to a re­expanded one is observed due to

overcharging   at   a   higher   concentration   of   MgCl2  [2].   Our   simulations   help   understanding   the

destabilization of the ssDNA­SWCNT hybrids and the ultimate detachment of the substrate from the

carrier inside the cell membrane for a successful gene delivery process [3]. Duplex nucleic acids, on the

other   hand,   are   structurally   more   rigid   than   the   single   stranded   ones.   Apart   from   their   ability   to

accommodate small metal/molecular ions into their various binding sites [4], artificial duplex nucleic

acids can be useful for antisense applications in combination with a suitable transfecting career [5]. We

have recently shown that xylonucleic acid (XNA), an artificial RNA analog, undergoes spontaneous

unzipping on the surface of both SWCNT [6] as well as graphene [7] under various physiologically

relevant simulation conditions. The extent of XNA unzipping assisted by either of the nanostructures is

much faster than a naturally occurring RNA with identical sequence of nucleobases. We propose that the

combination of XNA and a flat graphene sheet is best suited for therapeutics since graphene with a

lower surface curvature ensures the optimal unwinding in XNA which in turn, can provide a long term

protection against the expression of a fatal gene in human serum [7].

References:1. Ghosh, S.; Patel, N.; Chakrabarti, R. J. Phys. Chem. B 2016, 120, 455 – 466.2. Ghosh, S.; Dixit, H.; Chakrabarti, R. Chem. Phys. 2015, 459, 137­147.3. Tereshko, V.; Minasov, G.; Egli, M. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 470­471.4. Ghosh, S.; Dixit, M. K.; Chakrabarti, R. Mol. Simul. 2016, 42, 715 – 724. 5. Zamecnik, P. C. and Stephenson, M. L. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1978, 4, 75, 280­281.6. Ghosh, S.; Chakrabarti, R. J. Phys. Chem. B 2016, 120, 3642–3652.7. Ghosh, S.; Chakrabarti, R. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 22681 – 22693.

4

5

Intentionally left blank

First passage timescales of protein binding to target sites on DNA competing with nucleosomes

Dibyendu DasDepartment of Physics, IIT Bombay, Mumbai, India

It is being increasingly realized that nucleosome organization on DNA crucially regulates DNA–proteininteractions and the resulting gene expression. While the spatial character of the nucleosome positioningon DNA has been experimentally and theoretically studied extensively, the temporal character is poorlyunderstood. Many DNA binding proteins which regulate the activities of genes have to compete withnucleosomes to access and bind to specific  target patches on DNA. We analytically solve and alsonumerically study this  first  passage problem of protein binding,  within a  kinetic model  of binding­dissociating nucleosomes. As a concrete application of our general result, we estimate timescales ofTBP binding to TATA sites, genome­wide in Saccharomyces cerevisiae. We find huge gene­to­genevariability of the timescales.   We further study the variation of TBP binding timescales for a specificgene PHO5, as a function of factors which make its promoter switch from a transcriptional OFF to anON state.  Reference:

1. Nucleic Acids Research, 44, 1630–1641 (2016)

6

Understanding 3­dimensional DNA organization in cells in the length­scale of a gene

P. RanjithDepartment of Biosciences and Bioengineering, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai – 400076, India

The fate of a cell is not just decided by the genetic code but also by the nature of the 3D organization of

the protein­ bound DNA, known as chromatin. Chromatin packaging is believed to be in a hierarchical

manner, and one of the crucial stages in the packaging is argued to be having a zig­zag structure with

specific width of 30 nm. However, most of the recent experiments failed to find any zig­zag­like ordered

arrangement  of  chromatin  in   living  cells.   In   this  work,  we address   this  puzzle,  and argue  that  any

regular, ordered, packaging of chromatin is unviable given that certain types of proteins can bind and

bend the chromosomal DNA.

7

Effect of confinement and stiffness on the conformational change of a semiflexible homopolymer

chain

Pramod Kumar MishraDepartment of Physics, Kumaon University, Nainital, India

We analyse the nature of the confinement of an infinitely long (and finite) linear semi­flexible homo­polymer chain confined in between two geometrical constraints (A & B) under good solvent conditionin two dimensions. The constraints are stair shaped impenetrable lines. A lattice model of fully directedself avoiding walk is used to list information of walks of the confined chain and the exact enumerationtechnique   is   used   for   the   canonical   ensemble   of   conformations   of   the   confined   chain   to   discussequilibrium statistics of the chain. We obtain the probability of polymerization of the confined flexiblechain segments with either one end (polymer trains) or both the ends of the confined chain lying on thestair shaped constraints (polymer bridge and arc). We have also calculated the force of confinementexerted by the constraints on to the chain or the force exerted by the chain on the geometrical constraintsusing grand canonical ensemble theory and discuss nature of variation of the force.

Keywords: Confined Polymer, Exact Results,  Analytical Solution

8

dsDNA to ssDNA: A sliding platform for protiens

Garima MishraDepartment of Physics, Indian Institute of Technology, Kanpur, India

Seperation of double stranded DNA (dsDNA) into two single stranded DNA (ssDNA) is prerequisite for theprocesses like replication and transcription. The inherent energetic heterogeneity involved in DNA makes the ATrich region less stable than GC rich region and leads to the bubble formation localized in AT rich region. I willdiscuss   the   role  of   the   energetic  hetrogeneity  on   the   force­temperature  diagram of  DNA,  which   is   studiedextensively   from   theoretical   models   for   homogeneous   DNA.  The  newly  generated   ssDNA  from  dsDNA  isthermodynamically   less   stable   than   dsDNA,   and   consequently,   it   spontaneously   forms   duplex   secondarystructures   (which   inhibit   subsequent   DNA­processing   reactions).   A   solution   to   this   problem   comes   fromspecialized ssDNA binding proteins (SSBs) that bind, protect, and stabilize the ssDNA structures. Complexesbetween SSBs and ssDNA are often highly stable, but predicting their structures is challenging, mostly because ofthe inherent flexibility of ssDNA and the geometric and energetic complexity of the interfaces that it forms. I willdiscuss about my coarse­grained model that predicts the structure of SSB–ssDNA complexes and also sheds somelight over energetics and the underlying association mechanism.

9

Role of special crosslinks in structure formation of DNA polymer

Apratim ChatterjiIndian Institute for Science and Educational Research, Pune, India

Using data from contact maps of the DNA­polymer of E. Coli (at kilo base pair resolution) as an inputto our model, we introduce cross­links between monomers in a bead­spring model of a ring polymer atvery specific points along the chain. By suitable Monte Carlo Simulations we show that the presence ofthese cross­links lead to a specific architecture and organization of the chain at large (micron) lengthscales of the DNA. We also investigate the structure of a ring polymer with an equal number of cross­links at random positions along the chain. We find that though the polymer does get organized at thelarge length scales, the nature of organization is quite different from the organization observed withcross links at specific biologically determined positions. We used the contact map of e­coli bacteriawhich has around 4.6 million base pairs in a single chromosome. In our coarse grained flexible ringpolymer model we used 4600 monomer beads and observe that around 80 cross links are enough toinduce large scale organization of the molecule accounting for statistical fluctuations induced by thermalenergy.

10

Active Dynamics of Semiflexible Polymers

Abhijit GhoshMartin Fisher School of Physics, Brandeis University, USA

Active fluctuations, driven by processes that consume ATP, are prevalent in the living cells and aremostly driven by different forms of molecular motors. Such motors often move and transmit forcesalong biopolymers, which in general can be treated as semiflexible chains. We present a theoreticalanalysis of the active (out of thermal equilibrium) fluctuation of semiflex­ ible polymers, using bothanalytical and simulation methods. We find that enhanced diffusion, even superdiffusive, occurs in awell­defined temporal regime, defined by the thermal modes of the chain and the typical timescale ofthe activity. In addition, we find a dynamic resonance­like condition between the elastic modes of thechain   and   the   duration   of   the   active   force,   which   leads   to   enhanced   spatial   correlation   of   localdisplacements. These results are in qualitative agreement with observations of cytoskeletal biopolymers,and were recently observed for the dynamics of chromatin in interphase cells. We therefore propose thatthe interplay between elasticity and activity is driving long­range correlations in our model system, andmay also be manifest inside living cells. Reference: 

1. Dynamics of Active Semiflexible Polymers, Abhijit Ghosh and N S Gov, BioPhysical Journal,107, 2014

11

Statistical Mechanics of Driven DNA: Theory and Simulations

Sanjay KumarDepartment of Physics, Banaras Hindu University, Varanasi ­ 221005, India

We propose a generic model of driven DNA under the influence of an oscillatory force of amplitude Fand frequency  and show the existence of a dynamical transition for a chain of finite length. We findthat the area of the hysteresis loop, Aloop, scales with the same exponents as observed in a recent studybased on a  much more  detailed  model.  However,   towards   the   true   thermodynamic   limit,   the  high­frequency scaling regime extends to lower frequencies for larger chain length L and the system has onlyone scaling Aloop ~ ­1 F2. Expansion of an analytical expression for Aloop obtained for the model systemin the low­force regime revealed that there is a new scaling exponent associated with force Aloop ~ ­1

F2.5, which has been validated by high­precision numerical calculation. By a combination of analyticaland numerical  arguments,  we also deduce  that   for   large but   finite  L,   the exponents are  robust  andindependent of temperature and friction coefficient.

12

Probing DNA fluctuations, from the base pair to molecular conformations

Michel PeyrardLaboratoire de Physique, Ecole Normale Supérieure de Lyon, France

The image of DNA as a static and rigid double helix does not match its biological activity. Actually

DNA   is   a   highly  dynamical   entity.   Its   fluctuations   allow   the   reading  of   the  genetic   code   and   its

flexibility is necessary to pack it in the nucleus of a cell or in a virus capsid.

We discuss different views of these fluctuations at various scales:

• UV­laser two­photon ionization of the guanines, combined with standard biological methods can

probe the fluctuations at the scale of a few base pairs. We show that local fluctuations have

consequences that extend about 10 base pairs away.

• An analysis of magnetic birefringence data, which probe the flexibility of DNA, points out the

role of base pair fluctuations on the flexibility of the molecule at large scale. 

• Small angle X­ray and neutron scattering have been used to through a new light on the role of

some sequences to locate the nucleosomes at preferential positions, and on the recent debate on

the persistence length of short DNA chains.

References:

1. Santiago Cuesta­López, Hervé Menoni, Dimitar Angelov, and Michel Peyrard, Guanine radical

chemistry reveals the effect of thermal fluctuations in gene promoter regions,  Nucleic Acids

Research 39, 5276­5283 (2011)

2. N. Theodorakopoulos and M. Peyrard,  Base Pair Openings and Temperature Dependence of

DNA Flexibility, Phys. Rev. Lett 108 078104­1­4 (2012)

3. Adrián Gonázlez Rodríguez, Torben Schindler, Ramachandran Boopathi, Lionel Porcar, Andrew

Wildes, Nikos Theodorakopoulos, Santiago Cuesta­López, Dimitar Angelov, Tobias Unruh and

Michel Peyrard,  Small Angle Scattering of the conformations and flexibility of a short DNA

sequence: the case of a Nucleosome Positioning Sequence, unpublished

13

14

Intentionally left blank

Thermal Denaturation of DNA

Y. SinghDepartment of Physics, Banaras Hindu University, Varanasi ­ 221005, India

The thermal denaturation of DNA is believed to be first order phase transition. In the Poland­Scheraga

type models DNA is considered as being composed of a sequence of alternating bound segments and

denaturated loops(bubbles). The statistical weight (partition function) of a bubble is found to behave as

l­c. The nature of melting transition depends on value of exponent c. The talk will focus on finding value

of the exponent c.

15

Sequencing of semiflexible polymers through patterned pores

Rajneesh Kumar, Abhishek Chaudhuri, and Rajeev KapriDepartment of Physical Sciences, Indian Institute of Science Education and Research Mohali, Sector 81,

Knowledge City, S. A. S. Nagar, Manauli PO 140306, India

The knowledge of sequence of nucleotides within a DNA molecule is important for biological researchand   various   applications   such   as   medical   diagnosis,   biotechnology,   forensic   investigations   etc.Experiments   have   shown   that   the   passage   of   single   stranded   DNA   and   RNA   molecules   throughbiological   and   synthetic   nanopores   result   in   a   blockage   of   ionic   current   which   would   reflect   theincoming   sequence   of   the   DNA.   Theoretical   approaches   to   study   polymer   translocation   throughnanopores have focused primarily on flexible polymers. We study the translocation of a semiflexiblepolymer through pores with patterned stickiness. We show that the consequences of pore patterning onthe translocation time dynamics is dramatic and depends strongly on the stiffness of the polymer. Weutilize this dependence of translocation time on the microscopic structure of the pore and the polymerrigidity, to use an effective sequencing strategy. This strategy which involves using multiple pores withpatterned surface energetics, can predict heteropolymer sequences with varying bending rigidity to ahigh degree of accuracy.

16

Understanding diseaseome through molecular associations: A random matrix theory perspective

Sarika Jalan*

Centre for Biosciences and Bio­Medical Engineering, Indian Institute of Technology ,Indore ­ 452 020, India

Complex Systems Lab, Discipline of Physics, Indian Institute of Technology, Indore ­ 452 020, India

The inside of a cell   is  turbulent  with activity,  as enormous proteins,  tiny molecules, and DNA strands windaround each other to accompany thousands of interactions. The disease state is a consequence of various flaws inmolecular interactions that eventually result in the altered dynamics of the expressions of infected molecules. Thegreatest challenge lies in understanding the relationship between these altered molecular interactions that leads inthe altered molecular pathways.  Even after  enormous researches,  different  diseases  including cancers exhibitextensive heterogeneity, which complicates the pathway procedures and cell functioning thus demanding newtools to understand the cancer complexome at the basic molecular level. Further, the ample availability of varioustypes of experimental data from high­throughput techniques in molecular biology has lead to deeper insight ofvarious   complex   systems.   Utilizing   this   vast   information,   rapid   advancements   in   both   experimental   andtheoretical techniques have been performed in recent years. One such approach is the application of networktheory in combination with the spectral graph theory and Random matrix theory (RMT) approach on diseasessuch as cancer. Cancer being a multifactorial complexome requires comprehensive understanding for its properdiagnosis,   screening   and   cure.   Network   science,   spectral   graph   theory   and   RMT   approach   has   shown   itstremendous success in a wide variety of disciplines, being it as diverse as the human brain, the world wide web,scientific collaborations, communications and power systems engineering to molecular and population biology.These tools uncover the complexity of the disease and understand disease at the fundamental level enabling us tohave a global view of the diseasome. Constructing the networks for different cancers provide a unique platform tounderstand   the   altered   interactions   between   the   normal   and   the   diseasedtissues,   from   the   information   andliterature available on various bioinformatics resources and helps improve our current knowledge of molecularassociations in diseases in a time efficient and cost effective manner. The technique may principally further leadto  improvements   in prediction of new drug  targets and  insights not  only  into cancer  biology but  also otherdiseases. This novel approach provides a clue to develop promising and nascent concept of single drug therapyfor multiple diseases as well as personalized medicine.

References:

1.    Aparna  Rai,  Vipin   Menon,   and   Sarika   Jalan.   "Randomness   and  preserved   patterns   in   cancer   network."Scientific reports 4 (2014).2. Sarika Jalan*, Alok Yadav. Assortative and disassortative mixing investigated using the spectra of graphs.Phys. Rev. E 91, 012813 (2015).3.  Aparna Rai,  Amit  K.  Pawar,  and Sarika Jalan.  "Prognostic   interaction patterns   in  diabetes  mellitus   II:  Arandom­matrix­theory relation." Physical Review E 92.2 (2015): 022806.4.  Sarika Jalan,  Krishna Kanhaiya,  Aparna Rai,  Obul  Reddy Bandapalli,  Alok Yadav.  "Network TopologiesDecoding Cervical Cancer." PloS one 10.8 (2015).5. Sanjiv K. Dwivedi, and Sarika Jalan. "Interplay of mutation and disassortativity." Physical Review E 92.2(2015): 022802.6. Alok Yadav, and Sarika Jalan. "Origin and implications of zero degeneracy in networks spectra." Chaos: AnInterdisciplinary Journal of Nonlinear Science 25.4 (2015): 043110.7. Pramod Shinde, Alok Yadav, Aparna Rai, and Sarika Jalan. "Dissortativity and duplications in oral cancer."The European Physical Journal B, 88, no. 8 (2015): 1­7.8. Aparna Rai, Priodyuti Pradhan, Jyothi Nagraj, K. Lohitesh, Rajdeep Chowdhury, Sarika Jalan. “Understandingcancer complexome using networks, spectral graph theory and multilayer framework.” Scientific reports (2017)(in press)

Email: sarikajalan9@gmail.com 

17

18

Intentionally left blank

The bubble­bound state of a triple­stranded DNA

Jaya MajiDepartment of Physics, Indian Institute of Science and Educational Research, Bhopal, India

The presence of a thermodynamic phase of a three­stranded DNA, namely a phase of bubbles of twobound and one single strands,   is  established by using exact   real  space renormalization group (RG)transformations for dimensions d>2 and equivalent exact computations for fractal Sierpinski gasket ofdimension d<2. In contrast to the Efimov­DNA, where three strands are bound without duplex binding,a new phase of DNA with pairwise binding but without three chain contacts appears on the bound sideof the two chain phase boundary. The strand exchange between one strand of the pair and the singlestrand keeps the phase stable. This new phase, which is characterized by a separate RG flow in d>2, canbe identified from direct calculations  for d<2.

19

Nano­Technologies for Single Nucleotide Polymorphisms (SNP) DetectionAjay Agarwal

CSIR­Central Electronics Engineering Research Institute & Academy of Scientific & Innovative Research, PILANI (RAJ.) – 333 031, INDIA (E­mail: dr.ajay123@gmail.com)

Nanotechnologies along with standard silicon micro­fabrication technologies have enabled novel nano­dimensional materials, structures and eventually devices which find numerous applications in the fieldof medical diagnostics, drug delivery, electronics, energy production, detecting food adulterants, waterpollutants,  etc.  With the increasing awareness, healthcare is particularly in focus that includes earlydiagnosis, drugs discovery, point­of­care solutions, etc. For these bio­medical applications, specific andsensitive detection of various biological and chemical species becomes crucial.Single   nucleotide   polymorphism   (SNP)   detection   technologies   are   important   to   know   newpolymorphisms and  to  determine  the  allele(s)  of  a  known polymorphism  in   target   sequences.  SNPdetection technologies have been labor intensive, time consuming and expensive since recently wheresome automated, efficient, and relatively inexpensive methods have been demonstrated. The number ofSNP genotyping methods increasing but the demand for SNP detection is enormous. A new approach todetect SNPs in multiplexed scenario is presented using nano­structured biosensors.References:

1. Ajay Agarwal, et al., Sensors and Actuators A: Physical, 145­146, 207 (2008)2. N. Singh, A. Agarwal, et al., IEEE Transactions on Electron Devices, 55, 3107 (2008)3. Z. Gao, A. Agarwal, et al., Analytical Chemistry, 79 (9), 3291 (2007)4. X. Bi, A. Agarwal, et al., Biosensors Bio­electronics, 23, 1442 (2008)5. T­S Pui, Ajay Agarwal, F. Ye, N. Balasubramanian, P. Chen, Small, 5, 208 (2009)6. R Prajesh and Ajay Agarwal, BioNanoSci, 2, 218 (2012)7. R Prajesh, P B Agarwal and Ajay Agarwal, BioNanoSci, 2, 223 (2012)8. Ranjan K Maurya and Ajay Agarwal, Fluid­FET Controller for Microfluidic Devices, IEEE Sensors, doi­

10.1109/JSEN.2015.2456233.

20

Spontaneous formation of membrane tubes

Anirban Sain, 

Indian Institue of Technology, Bombay, Mumbai

Membrane   tubes  are   common  in  Biology  at   the   level  of   single   cells.  Many   recent  examples  have

emerged where tubes grow from phospholipid vesicles due to ATP dependent active forces. We will

discuss one such case where tubes seem to spontaneously grow from polymer coated vesicles.

21

Rupture dynamics in model polymer systems

Rupam Borah and Pallavi Debnath   *Department of Chemistry, Indian Institute of Technology Roorkee, Roorkee­247667, India 

(E­mail: pdebhfcy@iitr.ac.in )

I will discuss the rupture dynamics of a model polymer system to capture the microscopic mechanismduring relative motion of surfaces at the single polymer level. Our model is similar to the model forfriction   introduced   by   Filippov,   Klafter,   and   Urbakh   [Filippov et   al.,   Phys.   Rev.   Lett.,   2004, 92,135503];  but  with  an   important  generalization   to   a   flexible   transducer   (modelled  as   a  bead  springpolymer) which is  attached to a  fixed rigid planar  substrate by interconnecting bonds (modelled asharmonic springs), and pulled by a constant force FT. Bonds are allowed to rupture stochastically. Themodel   is   simulated,   and   the   results   for   a   certain   set   of   parameters   exhibit   a   sequential   rupturemechanism resulting in rupture fronts. A mean field formalism is developed to study these rupture frontsand the possible propagating solutions for the coupled bead and bond dynamics, where the couplingexcludes an exact analytical treatment. Numerical solutions to mean field equations are obtained bystandard numerical techniques, and they agree well with the simulation results which show sequentialrupture. Within a travelling wave formalism based on the Tanh method, we show that the velocity of therupture front can be obtained in closed form. The derived expression for the rupture front velocity givesgood   agreement   with   the   stochastic   and  mean   field   results,   when   the   rupture   is   sequential,   whilepropagating solutions for bead and bond dynamics are shown to agree under certain conditions.

References:

1. R. Borah and P. Debnath, Soft Matter, 2016, 12, 4406 – 4417.

22

Monte Carlo study of periodically driven DNAM. Suman Kalyan* and Rajeev Kapri$

Department of Physical Sciences, Indian Institute of Science Education and Research Mohali, Sector 81,Knowledge City, S. A. S. Nagar, Manauli PO 140306, India

Email: *  mskalyan@iisermohali.ac.in,  $rkapri@iisermohali.ac.in 

We study the hysteresis in unzipping of a double strand DNA (dsDNA) subjected to a periodic force,with amplitude g0 and frequency , using Monte Carlo simulations. In an earlier study [1] it was foundthat at a fixed temperature the loop area Aloop  increases as    is increased. It reaches a maximum atfrequency , which depends on force amplitude g0, and then decreases. It was found that Aloop decreasesmonotonically for lower values of g0 but shows an oscillatory behavior for higher values of g0 . Here, westudy the temperature dependence of the hysteresis loop as a function of temperature T, amplitude g0,and frequency . We find that as temperature is increased Aloop starts showing oscillatory behavior evenfor lower values of g0 . We also study the scaling behavior of Aloop as a function of T, g0 , and .

References:

1. R. Kapri, Phys. Rev. E, 90, 062719 (2014).

23

Understanding DNA Based Nanostructures using Molecular SimulationsHimanshu Joshi and Prabal K. Maiti

Centre for Condensed Matter Theory, Department of Physics, Indian Institute of Science, Bangalore 560 012, India

DNA is arguably the most important biological molecule. Recent decades have witnessed the synthesisof many DNA nanostructures with proposed applications in nanotechnology. State of the art moleculardynamics (MD) simulations can be very useful to understand the microscopic structure of these self­assembled structures at nanoscale. We have developed algorithms to build very accurate 3­d atomisticmodels of various DNA nanostructures like crossover DNA molecules, DNA nanotubes (DNTs) andDNA polyhedra.  We  investigate   the  structure,   stability   and mechanical  properties  of  various  DNAnanostructures in salt solution. We find that the persistence length of DNA nanotubes is of the order ofmicrometer. We have also examined the interaction of DNA nanotubes embedded in the lipid bilayermembranes.   We   discover   that   the   local   rearrangement   of   lipid   molecules   can   stabilize   the   DNAnanotubes in the bilayer and DNA backbone modification is not necessary for the partitioning of DNTsin lipid bilayer. The Ohmic conductance measured from I­V characteristics of the ions channel variesfrom   4.3   to   20.6   nS   with   ionic   strength.   The   simulation   studies   with   atomistic   model   of   DNAicosahedron reveal the dynamical behavior of the structure and its interaction with encapsulated cargo.We believe that our simulation studies will  give further   impetus  in  the design and development ofstructural DNA nanotechnology.

References:1. Joshi et al. PCCP 2015, 17, 1424­1434.2. Joshi et al. ACS Nano 2016, 10, 7780­7791.3. Bhatia and Joshi et al. Nature nanotechnology 2016.

24

DNA in a crowding environmentAnurag Singh, Suparna Khatun and Amar Nath Gupta

Biophysics and Soft Matter Laboratory, Department of Physics, IIT Kharagpur, India­721302

With a view to understand compaction of DNA in crowded conditions, we have measured the radius ofgyration of plasmid in its supercoiled and linear forms in the presence of dextran nanoparticles throughlight scattering. It was observed that the supercoil initially expands and subsequently compacts withincreasing volume fraction of the dextran having smaller size. The plasmid does not collapse into acondensed state. Our results show first, the supercoil expands through a modification of its geometricalproperties by the depletion induced attraction between the two opposing duplexes of the superhelix andsecond, the molecule gets compressed due to the depletion of nanoparticles in the interior of the coilwith   concomitant   imbalance   in   osmotic   pressure   between   the   coil   and   surrounding   medium.   Theantagonistic nature of these two aspects of crowding results has a much more pronounced and richereffect on the dimensions of supercoiled plasmid than the effect of variation in ionic strength. We havealso studied the effect of binding ligand to DNA which changes the elastic property of DNA at single­molecule level through AFM. When a ds­DNA molecule is overstretched in the presence of ligands, itundergoes a co­operative structural transition based on the externally applied force, the binding constantof the ligands to the DNA, the concentration of the ligands and the ionic strength of the supportingmedium. These transitions were studied by the extended and twistable worm­like chain model.  Weconclude that besides ionic strength,  interacting proteins and content of AT and GC base pairs,  theligand binding or intercalation with the ligands is an important parameter which changes the stiffness ofDNA.

25

Role of Bio­sensors in Defense

Alok ShahLife Sciences Research Board (LSRB), DRDO HQ., New Delhi­110011

Defense   is   one  of   the   largest   consumers   of   fresh,   semi­processed   and     processed   food   and   otheragricultural commodities. In a country like India, the lack of phyto­ and phyto­sanitary protocols in theagri­food market has potentially increased biological, chemical and physical threats to food products,catapulting a demand both in Defense and the civil market at large on more effective and better processcontrol, quality and safety of these products. Biosensors can play a pivotal role in controlling productionprocesses   and  ensuring  greater   agricultural   and   food  quality  by  putting   in  place   fast,   reliable   andaffordable monitoring procedures. The advantage of bio­sensors lie in providing an alternate mechanismto conventional analytical tools and techniques in terms of size, cost­effectiveness, specificity, rapidresponse, sensitivity, repeatability and precision. Food and agricultural production chain is vulnerable todifferent kind of threats at every step in terms of loss of quality and susceptibility to transmit diseasesthrough falling prey to microbial, fungicidal, pesticidal, weedicidal and insecticidal invasions. Thesemicrobial, biological, chemical and/or physical threats can be due to environmental contamination orfailures to stick to standard food handling, processing, packaging and distribution quality proceduresand protocols.  A properly  developed biochip   in  a  biosensor  can  capture  the  molecular  and geneticsignatures of various contaminants. Biosensors can not only detect, analyse and quantify molecules ofdifferent biological origins but also throw light on the quality of food or agricultural produce in terms oftheir  residual  loads of esticides,  fertilizers,  agro­chemicals,  dioxins;  besides,  biosensors can provideinformation   on   contaminated   water,   soil   residues,   genetically   modified   organisms,   pathogenicmicroflora and their toxins, food anti­nutrients, allergens, drug residues, additives and hydrocarbons,etc.  Biosensors can also diagnose changes in  the food composition in  the aftermath of post­harvestpractices,  operations  and processing   through  real­time monitoring  of  various  variables   such as  pH,temperature, pressure, oxygen, flow and volatile components; and, thus, help in the implementation ofhazard  analysis   and critical   control  points   (HACCP)  by  identification  and  detection  of   food bornepathogenic threats, chemical and bio­chemical contaminants. The need of the hour is to develop a multi­utility   bio­sensor   that   embeds,   within   its   design,   features   to   function   as   a   chemical,   temperature,pressure and pH­sensor as well, in addition to picking up molecular and genetic traits of more than onemicroorganism or an analyte. An intelligently designed and developed biosensor can effectively screenair, water, soil, agro­material, food, water bodies, fresh and waste plant and animal material to mitigatethe bio­threat paradigm by rapid detection of biothreat pathogens and agents and their toxic, and orpathogenic analytes and metabolites. 'Detect to Protect' biosensors, at different scales of developmentand eco­deployment, can provide an effective shield against biological warfare (BW) agents.

Email: alokshah2000@rediffmail.com

26

27

A transcriptomic analysis pipeline decoding network of genes involved in different stages leadingto acquisition of cancer drug resistance

J Nagraj, M. Vasudevan, S. Jadav, G. Mishra, S. Mukherjee, S. Chowdhury S and Rajdeep ChowdhuryDepartment of Biological sciences, BITS, Pilani, Rajasthan 333031, India

Existing evidences suggest survival of a distinct population of cancer cells that resist chemo­therapeuticshock, eventually evolving into drug resistant cells. This is considered, a cause to treatment failure andsubsequent relapse. Identifying appropriate drug/s that can eliminate these drug­tolerant “persisters” stillremains an issue in cancer therapy. Hence, deeper understanding of the distinctive genetic signaturesand genetic boundaries between untreated cells, drug treated cells, persisters following drug shock andpersister­derived resistant cells is of utmost importance. In this study, through deep sequencing of bothmRNA and small RNAs we have generated a transcriptomic network that provides critical insights intothe molecular events leading to emergence of persister sub­population of cells post cisplatin shock, andstrategies acquired by these cells to evade persister bottleneck leading to emergence of drug­resistantcancer cells. The conventional drug, cisplatin which is an integral part of current treatment regime formultiple   cancer   types   is   opted   for   this   study.   Both   receptor   mediated   signaling   and   intracellularsignaling were found to be de­regulated.  A core network of genes showing altered expression wereidentified across the different stages of acquisition to resistance.  This study is uniquely designed tobetter understand the series of genetic events leading to the surfacing of drug resistance in osteosarcomacells, and implications from this study can have potential future therapeutic impact.

28

ICRF­193 delays spindle elongation and produce archery bow phenotype in dividing fission yeastcells

Rajesh Mehrotra1,#, Norihiko Nakazawa1, and Mitsuhiro Yanagida1,*1G0 Cell Unit, Okinawa Institute of Science and Technology Promotion Corporation, Uruma, Okinawa 904­2234, Japan

# Department of Biological sciences, BITS, Pilani, Rajasthan 333031, India

ICRF­193, a noncleavable, complex stabilizing topoisomerase (topo) Ⅱ　inhibitor,  　 has been shown totarget topo   in mammalian cells. With the aim of elucidating the roles of topo   in dividing  Ⅱ Ⅱ S. pombecells,  we examined the effects  of  ICRF­193  treatment  on such cells.  ICRF­193 treated cells  showschromosome segregation defect and archery bow phenotype. This phenotype is different than top2­191mutant   cells   phenotype.     The   study   involving   cs   nda3   indicated   that   ICRF­193   treatment   delaysmetaphase to anaphase transition in  S. pombe  cells compared to the DMSO treated control cells. It isreported that anaphase inhibitor securin is kept stable during such delay. The spindle characteristicswere severely affected by the drug treatment. Phase2 and Phase3 of spindle elongation were not distinctas previously reported for  top2­191 mutant cells but more interestingly,　 the ICRF­193 treated cellsshowed constant spindle elongation speed in Phase2 and Phase3 supporting the delay induced by ICRF­193  treatment  which  ultimately   results   into  archery  bow phenotype.64 percent  of   the  dividing  cellshowed archery bow phenotype after 2 hours of ICRF­193 treatment. Using fixed cells  of Top2­GFP, we could observe the dot signal of GFP in ICRF­193 treated cellscompared   to   the  DMSO  treated   cells,   indicating   the   trapped   topo     on   the  DNA after   ICRF­193Ⅱtreatment. In short ICRF­193 treatment is effective in S. pombe cells. ICRF­193 affects the dividing S.pombe cells by inhibiting the spindle characteristics and results in archery bow phenotype. This is thefirst report of ICRF­193 treatment in S. Pombe. The data will be presented in the conference.

29

Elastic properties and conformational changes of DNA: An all­atomistic molecular dynamics studyAshok Garai

Department of Physics, The LNMIIT, Jaipur, India

Active   Biological   processes,   like   transcription,   replication,   recombination,   DNA   repair,   and   DNApackaging encounter bent DNA. Machineries associated with these processes interact with the DNA atsuch a short length scale. Thus the study of elasticity and conformational changes of DNA at such lengthscale is crucial. Molecular dynamics simulations can be used to extract various conformational duringstretching and other biomolecular properties of DNA through a systematic study of fluctuations at theatomic level. Atomistic molecular dynamics simulations aid to calculate different elastic properties ofvarious   DNAs   starting   from  short   free   DNA   to   nucleosomal   DNA.   Furthermore,   it   is   found   thatmacroscopic elastic theory is not adequate to calculate the elastic properties of various short DNAs.Stretching   of   DNA   under   different   pulling   protocols   can   provide   a   detailed   picture   of   variousconformational changes of DNA and also brings forth fundamental molecular understanding of DNAstretching mechanism. Such realistic studies will certainly enrich the pool of techniques to interpret theexperimental data as well as motivate to perform new experiments.

30

31

Poster Presentations

Change in flexibility of DNA with binding ligandsAnurag Singh and Amar Nath Gupta1

Soft Matter Laboratory, Department of Physics, Indian Institute of Technology Kharagpur, India­721302

The percentage and sequence of AT and GC base pairs and charges on the DNA backbone contributesignificantly to the stiffness of DNA. This elastic property of DNA also changes with small interactingligands.   The   single­molecule   force   spectroscopy   technique   shows   different   interaction   modes   bymeasuring the mechanical properties of DNA bound with small ligands. When a ds­DNA molecule isoverstretched in the presence of ligands, it undergoes a co­operative structural transition based on theexternally applied force, the mode of binding of the ligands, the binding constant of the ligands to theDNA, the concentration of the ligands and the ionic strength of the supporting medium. This leads to thechanges in the regions­ upto 60 pN, cooperative structural transition region and the overstretched region,compared to that of the FEC in the absence of any binding ligand. The cooperative structural transitionswere  studied  by   the  extended  and  twistable  worm­like  chain  model.  Here  we have  depicted   thesechanges in persistence length and the elastic modulus constant as a function of binding constant and theconcentration of the bound ligands, which vary with time. Therefore, besides ionic strength, interactingproteins and content of AT and GC base pairs, the ligand binding or intercalation with the ligands is animportant parameter which changes the stiffness of DNA.

1 amar1518@gmail.com , ang@phy.iitkgp.ernet.in

32

Study of translocation of ssDNA and dsDNA through nanopore sites

Anurag Upadhyay, Dibyajyoti Mohanta, S. Kumar* and D. GiriDepartment of Physics, IIT BHU, Varanasi ­ 221005, India 

*Department of Physics, Banaras Hindu University, Varanasi ­ 221005, India(1 & 2 are presenting co­authors)

We examine double­stranded and single­stranded DNA translocation through nanopores by means of

molecular dynamics (AMBER and NAMD software) and also Monte carlo simulation.The DNA motion

is   found  to  be   independent  of   the  cross­section  of  nanopores.This  happens  due  to   the  competition

between two forces­ the adhesion of DNA bases to the nanopore sites and the mechanical forces which

act along the length of the DNA as it is attached to one end. We also try to understand the Efimov effect

of triple stranded DNA.

Denaturation of DNA at high salt concentrationsArghya Maity and Navin Singh

Department of Physics, Birla Institute of Technology & Science, Pilani(Email: arghyamaityphysics@gmail.com)

Intracellular sodium triggers a cell  to progress in to cell  division. So, intensifying of Nacl makes a

dreadful manifestation of cell. The DNA phase transition effect has been studied and established at low

strength of salt in theoretical and experimental aspects. Intracellular positive ions widen nucleic acid

flexibility through nullifying the negative charges on the phosphates of DNA strand. So dsDNA chain

gets more stability. However the behaviour of DNA at high salt strength is still theoretically ambiguous

beacause the experimental studies of salt on DNA apprise a hostile nature after a certain strength. How

the DNA strand breaks in this hypotonic medium so promptly and turn out to be unstable, is the aim of

our manuscript. We outline a corelated biological phenomenon like tumor cells specifically Cancer cells

since   these   type  of   cells   carry  a   dissimilar   aspect   from normal   somatic   cells  of   high   intracellular

concentration of Nacl. We try to delineate this nature of salt in theoretical aspect using Peyrard Bishop

Dauxois model and also try to scrutinize the stability and unstability slope of this nature of salt from the

graph.

33

Understanding Protein­Protein Interactions of Cancer Complexome

Aparna Rai1,a, Priodyuti Pradhan2, Jyothi Nagraj3, K. Lohitesh3, Rajdeep Chowdhury3, and Sarika Jalan1,2,b

1Centre for Biosciences and Bio­Medical Engineering, Indian Institute of Technology, Indore ­ 453552, India2Complex Systems Lab, Discipline of Physics, Indian Institute of Technology, Indore ­ 453552, India

3Department of Biological Sciences, Birla Institute of Technology & Science, Vidya Vihar, Pilani, Rajasthan, 333031, IndiaEmail: a  raiaparna13@gmail.com, b  sarikajalan9@gmail.com , Group page: http://iiti.ac.in/people/~sarika/ 

Different diseases including cancers exhibit extensive heterogeneity, which complicates the pathwayprocedures   and   cell   functioning.   Development   of   statistical   tools   inspired   from   other   branches   ofsciences, particularly from graph theory and random matrix theory enables us to have a global view ofthe diseasome. Constructing the networks for different types of cancers provide a unique platform tounderstand   the   altered   interactions   in   the   diseased   tissues,   utilizing   the   information   and   literatureavailable   on   various   bioinformatics   resources.   Cancer   being   a   multifactorial   complexome   requirescomprehensive  understanding for   its  proper  diagnosis,  screening and cure.  These   tools  uncover   thecomplexity of the disease and understand disease at the fundamental level. Hence, exploring molecule­molecule   associations   through   the   holistic   combined   framework   of   the   systems   biology   approach,network theory and multilayer approach is expected to trace differences in the associations of normaland disease states and improve our current knowledge of molecular associations in diseases in a timeefficient and cost effective manner. It may principally be lead to further much required improvements inprediction of new drug targets and in sights into the cancer biology.

References:

1. Aparna Rai, Priodyuti Pradhan, Jyothi Nagraj, K. Lohitesh, Rajdeep Chowdhury, Sarika Jalan,“Understanding   cancer   complexome   using   networks,   spectral   graph   theory   and   multilayerframework.” Scientific reports (2017) (in press).

Study of Lennard­Jones systems using Molecular Dynamics Simulation

Pallabi Kundu and Pankaj Mishra

Department of Applied Physics, Indian Institute of Technology (Indian School of Mines) Dhanbad­826004, India

Email: p  allabikunduphysics@gmail.com

We discuss the numerical simulation techniques as a method of scientific study of real systems. Varioussimulation   techniques  has  been described with  special  emphasis  on  molecular  dynamics  simulationwhich  was   studied   in  details   and  discussed   followed  by  a   few  illustrative  examples.  A   system ofparticles interacting via Lennard­Jones potential is studied and a few static properties are calculated.Computation was done in the regime of MD simulation following the constant energy criteria where thekinetic energy of the system is a function of temperature alone.

34

AC Magnetic Fields Dependent Measurement on DNA Engineered Cobalt Ferrite For Biomedical

Application

Arpita Das1, Debarati De1, Prof. Ajay Ghosh1, Madhuri Mandal2

1CRNN, University of Calcutta,Kolkata, 700098, India2S.N.Bose National Centre for Basic Science, Kolkata 700098, India

E­Mail address (corresponding author): arpitadas166@gmail.com

The cobalt ferrite nanoparticles have suitable property which may provide a new direction  in medicalscience.These particles can be controlled by the magnetic fields from outside the body.

For biomedical application these cobalt ferrite nanoparticles was properly engineered with DNA.Herecobalt ferrite nanoparticles were synthesized on DNA scaffold by wet chemical co­precipitation method.Different   batches   of   particle   were   synthesized   by   varying   the   amount   of   DNA.The   cobalt   ferritenanoparticles   attached   with   DNA   was   analyzed   by   infrared   spectroscopy   (IR),   scanning   electronmicroscope (SEM), Transmission electron microscope(TEM), squid, X­ray diffraction (XRD), Dynamiclight scattering (DLS) etc. From XRD data it was confirmed that the above mentioned nanoparticles iscobalt ferrite in pure phase and from IR and SEM analysis it was shown that cobalt ferrite nanoparticleswere attached with DNA. It was investigated from SQUID data that with increasing amount of DNA,cobalt ferrite nanoparticles showed different magnetic properties. From DLS data the exact size of theparticle was concluded. From IV­CV measurement it shown the Negetive Differential Resistance whichwill be helpful for charge storage for future application. The DNA bounded cobalt ferrite also taggedwith fluorescence dye so that the path of their movement can be tracked from outside of the body.

A comparative study have been done by keeping the different batches of MNP (magnetic nano particle)attached in cancer cells in the Hyperthermia circuit for varying time. This particle under AC magneticfield produce suitable heat which is very significant for Hyperthermia Therapy. 

References

1. Johannsen, M., et al, Hyperthermia, 21, 635(2005)2. Ferrari, M., Nat. Rev. Cancer 5, 161, (2005)

35

Fig. 1: Circuit for Hyperthermia Treatment Fig. 2: Bio­SEM image of DNA attached MNP

DNA functionalized cobalt ferrite nanoparticles: a betterment in internalization with cell and

cytotoxicity level

Debarati De1, Arpita Das1, Prof. Ajay Ghosh1, Madhuri Mandal2 1CRNN, University of Calcutta, Kolkata, 700098, India

2S.N.Bose National centre for Basic Science, Kolkata 700098, IndiaE­Mail address (corresponding author): debaratide06@gmail.com

Different  batches  of  cobalt   ferrite  nanoparticles   (CoFe2O4,  CoFe2O4­DNA) with  average size  in   therange between 20 nm were synthesized using the Wet chemical co precipitation method. The cobaltferrite nanoparticles attached with DNA was analysed by infrared spectroscopy (IR), X­ ray diffraction(XRD),   scanning   electron  microscope   (SEM),   transmission   electron   microscope   (TEM),   squid   etc.Cytotoxicity and biocompatibility of these particles were also analyzed in human mammary carcinomacell lines (MDAMB­231) where different amount of doses of different batches were added to the cells.Here Cell viability is measured as the percent live cells compared with untreated control. From the studyit was seen that the CoFe2O4 NPs shows itself cytotoxic effect in case of cancer cell but is biocompatiblein case of normal peripheral blood mononuclear cell (PBMC). From the above mention study it was alsoseen   that   the   DNA   bound   cobalt   ferrite   (CoFe2O4­DNA)   NPs   shows   less   toxic   effect   and   betterinternalization of particles compared to the bare cobalt ferrite (CoFe2O4) Nps.

36

Fig 1: Without DNA + RITC Fig 2:     0.4 DNA NPs + RITC Fig 3: 0.8 DNA + RITC

Figure: Internalization of cobalt ferrite NPs and different amount of DNA bound cobaltferrite NPs in MDAMB­231 cell.

Role of DNA bending non­histone proteins in higher­order structure of Chromatin

Gaurav Bajpai1, Ishutesh Jain1, Mandar M. Inamdar2, Dibyendu Das3, Ranjith Padinhateeri1

1Department of Biosciences and Bioengineering, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai, India2Department of Civil Engineering, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai, India

3Department of Physics, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai, India

In   eukaryotes,   DNA   is   packaged   inside   the   nucleus   in   the   form   of   chromatin.   Chromatin   is   acombination of protein and DNA. We know from our molecular biology text books that three levels ofchromatin organization are found in the cell. (i) DNA wraps around histone proteins form nucleosome,the  beads  on   a   string   structure.   (ii)   Multiple   nucleosomes   wrap   into   a   30  nm   fiber   consisting  ofnucleosome arrays in their most compact form. (iii) Higher­level DNA packaging of the 30 nm fiberinto the metaphase chromosome. In lots of experiments it has been found that 30 nm structure exists invitro. But in vivo evidence of this type of structure is not very visible. Why we sometimes see 30 nmstructure and sometime not, is a puzzle. The fundamental physical principles behind the formation of aregular  30­nm structure are  the orientations  of  DNA entering/exiting  nucleosomes and  the  bendingelasticity of linker DNA between nucleosomes. In the conference,  we present our theoretical modelwhich explain that once we consider the presence non­histone protein (nhp6, HMG etc.) that bind andlocally bend linker DNA, the existence of regular structure are not feasible. Our model is comparablewith recent Micro­C experiment which explain chromatin structures inside the cell are irregular andcontact probability of neighbor nucleosomes and next neighbor nucleosomes are equal.

References:

1. Bajpai G, Jain I, Inamdar MM, Das D, Padinhateeri R, Binding of DNA­bending non­histone proteins destabilizes regular 30­nm chromatin structure, PLoS Comput Biol 13(1): e1005365 (doi:10.1371/journal.pcbi.1005365)(2017)

Kinetics of Tumbling of polymers in shear flow

Sadhana Singh and Sanjay KumarDepartment of Physics, Institute of Science, Banaras Hindu University, Varanasi, 221005 India

To study the kinetics of tumbling and conformational change of polymer system in shear flow, we have

developed a coarse­grained model for flexible polymer chain. Based on the numerical simulation, the

static and dynamic properties of a single polymer in shear flow is studied. The observed properties are in

general agreement with results reported in the literature. The cyclic motion phenomenon is studied by

power spectrum density analysis.

37

Codon based co­occurrence network motifs in human mitochondriaPramod Shinde*, Camellia Sarkar, Sudeep Tiwari$, Sarika Jalan

Complex Systems Lab, Discipline of Physics, Indian Institute of Technology, Indore­ 453552, IndiaEmail: *pramodshinde119@gmail.com, $tiwarisudeep876@gmail.com (presenting co­authors)

The nucleotide polymorphism in human mitochondrial genome (mtDNA) tolled by codon position biasplays an indispensable role in human population dispersion and expansion. By analysing codon positionbias  captured  by nucleotide co­occurrence  over  mtDNA, we develop a powerful  network model   todescribe complex mitochondrial  evolutionary patterns between codon and non­codon positions.  It  isinteresting to report a different evolution of Asian genomes than those of the rest which is divulged bynetwork motifs in non­coding regions. Most notably, codon motifs apparently underpin the preferencesamong codon positions for co­evolution which is probably highly biased during the origin of the geneticcode accompanied by their comparison with random variants. Our analyses manifest that codon positionco­evolution is very well conserved across human subpopulations as well as independently maintainedwithin human sub­populations implying the selective role of evolutionary processes on codon positionco­evolution.  Ergo, this study provides a framework to investigate cooperative genomic interactionswhich are critical in underlying complex mitochondrial evolution.

Statistical mechanics of a polymer chain attached to the interface of a cone­shaped channelSanjiv Kumar, S. Kumar and D. Giri#

Department of Physics, Banaras Hindu University, Varanasi ­ 221005, India#Department of Physics, IIT­BHU, Varanasi ­ 221005, India

We study equilibrium properties of a short polymer chain attached to the one end of a cone­shapedchannel. Depending on the solvent quality (good or poor) across the channel, a polymer chain can beeither inside or outside the channel or both. Exact results based on a short chain revealed that when thesolvent quality remains the same across the interface, the polymer prefers to stay outside the channel.Surprisingly, when the quality of solvent inside the channel is relatively poor than the outside, eventhen, polymer prefers to stay outside at lower temperature. Our results demonstrate that a slight variationin the solvent quality can drag polymer chain inside the pore and vice versa. Furthermore, we also reportthe absence of crystalline (highly dense) state when the pore­size is less than the certain value. Wedelineate   the   possible   mechanism,   which   may   have   potential   application   in   understanding   of   thebiological processes.

38

Translocation of a semiflexible polymer through sticky poresRajneesh Kumar*, Abhishek Chaudhuri and Rajeev Kapri$

Department of Physical Sciences, Indian Institute of Science Education and Research Mohali, Sector 81,Knowledge City, S. A. S. Nagar, Manauli PO 140306, India

Email: *  rajneesh@iisermohali.ac.in, $rkapri@iisermohali.ac.in

We study the driven translocation of a homogeneous semiflexible polymer through an extended porethat interacts with the polymer. We consider pores with different patterned stickness and study how thetranslocation  process  depends  on   the  bending   stiffness  of   the  polymer.  We  find,   similar   to   earlierstudies, that a stiffer polymer takes more time to translocate through patterned pores. We then considerthe  driven   translocation  of   a   semiflexible   chain  consisting  of   alternate  blocks  of   stiff   and   flexiblesegments through the patterned pores. In this case we find that the translocation time depends stronglyon the pore pattering. The waiting time distributions, of the monomers of the polymer, which givesextensive   information  of   the   translocation  dynamics,   show novel   features   attributed   to   the   frictionexperienced inside the pore due to varying pore­polymer interactions and finite lengths of the pores.

Melting and Unzipping of Three­Stranded DNATanmoy Pal and Sanjay Kumar

Institute of Science, Department of Physics, Banaras Hindu University, Varanasi ­ 221005, India.

We study  thermal  melting  and  forced unzipping  of   a   short   three­stranded DNA comprised  of   twoidentical single strands made of T bases only and a third strand of equal length but made of A basesonly. By allowing the Watson­Crick base pairing, implemented through Lennard­Jones potential, we doLangevin dynamics simulation for a range of temperature and unzipping force. At zero unzipping force,be low a critical temperature, the system stays in a three­stranded bound state which has been reportedin the literature as ”mixed state”. Next, we apply an unzipping force at the ends of the two T­strands andstudy  the  end­point   separations  as  a   function  of   the  unzipping  force.  As  direct  Hydrogen bondingbetween two T­strands is not allowed, we get interesting force­extension curves which we can explainthrough quantities related to denaturation bubbles.

39

40

41

42