Extensive coarse-grained molecular dynamics simulations of soft matter: From RNA to hydrogels
Yumuşak maddelerin geniş kapsamlı ve iri-taneli moleküler dinamik simülasyonları: RNA'dan hidrojellere
- Tez No: 765692
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALKAN KABAKÇIOĞLU, DR. ÖĞR. ÜYESİ AYKUT ERBAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyofizik, Mühendislik Bilimleri, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Biophysics, Engineering Sciences, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 62
Özet
CG-MD simülasyonları, dışıl kuvvetlerin makromoleküler yapılara dinamik etkilerinin incelenmesinde vazgeçilmezdir. Bu tezin amacı, CG-MD'den faydalanarak (a) hidrojellerin zamana bağlı dışarıdan uygulanan elektrik alan altındaki tepkisi ve (b) RNA saç-tokası yapısının sıcaklık ve molekül büyüklüğüne bağlı olarak erime zamanın değişimini belirlemektir. PE hidrojellerin elektrik alan etkisindeki mekanik tepkisinin kontrolü, hidrojel bazlı yumuşak, harekete geçiren sistemler için büyük önem arz etmektedir. Bu tezin ilk kısmı, kısmi olarak sonsuz uzunluktaki PE hidrojel plakasının, geçici olarak uzaydan ve yarı-sinüs dalgası şeklinde uygulanan düzensiz elektrik alan altında,“implicit”ve“explicit”solvent modellerinde araştırmaktır.“Implicit”solvent modeli sonuçları, sadece küçük bir alana uygulanan elektrik alanın tüm hidrojel plakasını tersinebilir bir biçimde uygulanan etkinin dikey yönünde bir sıkıştırmaya neden olduğu ispat edilmiştir. Bu hidrojel, ilk aşamada elektrik alan uygulanmaya başlamadan önceki uzunluğuna oranla yarısına kadar sıkışmış ve ilk uzunluğuna tekrardan açılmış, ardından da sönümlenen salınıma benzer bir biçimde açılma/sıkışma döngüsünü üstsel olarak zayıflayarak tekrar etmiştir. Aksi durumda ise, bu elektik alan tüm hidrojel levhasına monoton olarak uygulandığında neredeyse hiç küçülme gözlemlenmedi. Analiz sonuçlarının, sıkışma zamanının iskelet yapısı yük sıklığına, dielectrik sabitine ve tuz konsantrasyonuna bağımsız olduğunu göstermesi, bu fenomenin sağlamlığını kanıtlar niteliktedir. Ayrıca, elektrik alan frekansını ve genliğini ayarlayarak sıkışma zamanı ve miktarı ayarlanabilir niteliktedir. Ek olarak, bu fenomen“explicit”solvent modeli kullanılarak da ispat edilmiştir. Bulgular, gerçeğe yakın su konsantrasyonlarında (0.7 M), hidrojelin sıkışma oranının \%35 e kadar ulaştığını göstermiştir. Bahsi geçen sıkışmanın“implicit”solvent modelindeki gibi sadece kısmi olarak uygulanan elektik alan etkisiyle sonuçlansa da, en yüksek sıkışma oranı, bu alanın hidrojel levhasının başlanguç büyüklüğünün \%10'u yerine yarısına uygulandığında gözlemlenmiştir. PE hidrojel levhasının mekanik davranışı sonuçlarının solvent modeline, hidrojelin kimyasal bileşenliğine ve elektrik alan parametrelerine bağımlı olmadığı sonucuna varılmıştır. Tezin ikinci kısmında, palindromik sekansı ile seçkinleşmiş başka bir makromoleküler sistem olan RNA saç-tokasının erime davranışı, ilk kısma benzer olarak CG-MD simülasyonu ile incelenmiştir. Nükleik asitlerin yapı ve dinamik davranışlarının sıcaklığa bağlılığın saptanması, polimer fiziğinde asli bir merak konusudur ve termofilik bakterilerin hücre içi işleyişlerini anlamakla oldukça ilişkilidir. Bu makromoleküllerin karakteristik sarmal yapıları, bağlanma ve erime dinamiklerinde önemli rol oynamaktadır. Ana odak, ortam sıcaklığının yükseltilmesiyle oluşan erime dinamiğidir. Sonuçlarımız, belirgin iki farklı dinamik rejimin var olduğunu öne sürmektedir. Denge erime sıcaklığına yakın görülen“kritik rejim”, erime zamanının sıcaklığa beklenmedik, tekdüze olmayan bir bağlılık göstermektedir. İkinci olarak, yüksek sıcaklık rejimi, çizgisel ikili sarmalın denşirilmiş uçlarının entropik çekişmesi ile nitelendirilmektedir. İki rejim için de erime süresinin ölçeklendirilmiş davranışı incelendi ve rejim geçiş sıcaklığı, sıcaklık ve molekül büyüklüğü fonksiyonu olarak tanımlandı.
Özet (Çeviri)
Coarse-grained molecular dynamics (CG-MD) simulations are indispensable for investigating the dynamical response of macromolecular structures to external probes. The purpose of this thesis is to utilize CG-MD in order to determine (a) the response of a hydrogel to a time-varying external electric field, (b) the melting time of an RNA hairpin structure as a function of the temperature and the molecule size. Controlling the mechanical response of polyelectrolyte hydrogels to external electric fields is of great importance for hydrogel-based soft actuation systems. The first part of the thesis work involves the study of a semi-infinite polyelectrolyte hydrogel slab to a transient and spatially nonuniform half-sinusoidal electric field by means of both implicit and explicit solvent models. Results with an implicit solvent model demonstrated that an electric field confined to a small volumetric section of the hydrogel slab induces a reversible contraction of the entire slab in the direction perpendicular to the field. The hydrogel initially contracts by almost half of its field-free length and then retracts to its original size, with repeating contraction/retraction cycles exponentially decaying in magnitude akin to an underdamped oscillator. In contrast, almost no contraction occurs when the field is applied uniformly on the whole hydrogel slab. Analyses of contraction times and efficiencies for varying backbone charge fractions, dielectric constants, and salt concentrations confirm the robustness of the phenomenon. Further, by tuning the electric-field frequency and amplitude, both the contraction time and the efficiency can be controlled. Also, this phenomenon is demonstrated by using the explicit solvent model. Results showed that in realistic water concentrations (0.7 M), the contraction of the hydrogel decreases up to 35\%. Although this contraction is observed when an electric field is applied to the hydrogel slab partially like in the implicit solvent model, the field area increased to half of its initial size instead of 10\% for the implicit model. Concluded that our results of the mechanical behavior of the PE hydrogel slab are unconstrained by the solvent model, hydrogel's chemical properties, and electric field parameters. In the second part of the thesis, the melting behavior of an RNA hairpin, another macromolecular system distinguished by its palindromic sequence, investigated again by means of CG-MD simulations. Determination of the structure and dynamical behavior of nucleic acids as a function of temperature is a fundamental problem in polymer physics and is relevant for understanding the intracellular processes in thermophilic bacteria. The characteristic helical structure of these macromolecules is known to play an important role in their folding and melting dynamics. The main focus is on the melting dynamics upon an increase in the ambient temperature. Our results suggest the presence of two distinct dynamical regimes. The“critical regime”close to the equilibrium melting temperature displays an unexpected, non-monotonous dependence of the melting time on the temperature. The second, high-temperature regime is characterized by the entropic competition of the two denatured ends of the linear duplex structure. The scaling behavior of the melting time in both regimes investigated and identified the crossover boundary separating the two as a function of temperature and molecule size.
Benzer Tezler
- Exploring the factors modulating the solubilization of β-carotene in dietary mixed micelles through computer simulations
Besidüzensel karma misellerinde β-karotenin çözülmesini etkileyen faktörlerin bilgisayar benzetimleri ile araştırılması
ESRA TUNÇER
Doktora
İngilizce
2018
Gıda Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BESTE BAYRAMOĞLU
- Multiscale modelling of squid inspired tandem repeat proteins
Akdeniz kalamarından esinlenilmiş tekrar eden proteinlerın çok ölçekli modellenmesi
OĞUZHAN ÇOLAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
BiyolojiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CANAN ATILGAN
- Poliüretan tabanlı polimer kaplamaların arayüz etkileşimleri: Çok ölçekli moleküler simülasyon çalışması
Interface interactions of polyurethane-based polymer coatings: A multi-scale molecular simulation study
DENİZ KIZILKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
BiyomühendislikTrakya ÜniversitesiGenetik ve Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖKHAN KAÇAR
- A multiscale modeling approach to understand mechanism of deposit control by lubricant detergents and dispersants
Motor yağlarında tortu oluşumunun deterjanlar ve dağıtıcılar kullanılarak kontrol edilmesi mekanizmasının çok ölçekli modellenmesi
ESRA KAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EROL YILDIRIM
- Mikroskobik kanallar üzerinde gerçekleşen ıslanma dinamikleri
Wetting dynamics on microscopic channels
ÖZLEM ÖZTÜRK
Doktora
Türkçe
2020
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEM ÖZGÜR SERVANTİE