Sedimentation of Knotted Polymers

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2013

Department

Lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitos

Major/Subject

Laskennallinen tekniikka

Mcode

S-114

Degree programme

Language

en

Pages

[5] + 52

Series

Abstract

The effect of knotting and unknotting of biopolymers, such as DNA, has a significant role in many biological processes. In the DNA, knots are most frequently encountered inside bacteriophages. In cells they may have detrimental consequences in DNA replication. An easy and reliable technique for classification of knots is essential also in the study of enzymes and gene behavior. We investigate computationally how knot topology affects sedimentation properties of polymers by using a hybrid algorithm that combines molecular dynamics and stochastic rotation dynamics. The model takes hydrodynamics fully and directly into account. We confirm for the first time with a direct simulation that the sedimentation coefficient of a knotted polymer increases linearly with the average crossing number of the corresponding ideal knot having the same topology. This relation has been previously only postulated based on electrophoresis experiments. Furthermore, we show that there is a very precise linear relation between the sedimentation coefficient and the inverse of the radius of gyration of the sedimenting knotted polymer. We show evidence that this linear relation is the explanation for the linear dependence between the sedimentation coefficient and the average crossing number. Finally, we show that polymer electrophoresis and sedimentation are analogous processes but only at moderate driving force. By varying the polymer rigidity in our simulations we show sedimentation to be a robust method for the identification of the topology of a polymer knot.

Biopolymeerien, kuten DNA:n, solmiutumisella ja solmujen avautumisella on huomattava vaikutus useisiin biologisiin prosesseihin. DNA:n solmuja esiintyy erityisen usein bakteriofagien sisällä. Soluissa solmut voivat haitata DNA:n kahdentumista. Myös entsyymien ja geenien tutkimuksessa on tärkeää voida yksinkertaisesti ja luotettavasti luokitella solmut. Tässä työssä tutkitaan laskennallisesti solmutopologian vaikutusta polymeerien sedimentoitumiseen käyttäen molekyylidynamiikkaa ja stokastista rotaatiodynamiikkaa yhdistävää algoritmia. Käytetyssä mallissa nestedynamiikan vaikutus tulee suoraan ja täysin huomioiduksi. Työssä osoitetaan ensimmäistä kertaa suoraa laskennallista mallia käyttäen, että solmiutuneen polymeerin sedimentaatiovakio kasvaa lineaarisesti topologialtaan vastaavan ideaalisolmun keskimääräisen kietoutumisluvun funktiona. Tämä on aiemmin ainoastaan postuloitu elektoforeesikokeiden perusteella. Työssä osoitetaan myös, että polymeerin sedimentaatiovakion ja sen hitaussäteen käänteisarvon välillä on tarkka lineaarinen riippuvuus. Tulosten perusteella lineaarista riippuvuutta sedimentaatiovakion ja keskimääräisen kietoutumisluvun välillä voidaan pitää seurauksena keskimääräisen kietoutumisluvun ja käänteisen hitaussäteen välisestä lineaarisesta riippuvuudesta. Lopuksi työssä näytetään, että polymeerin elektroforeesi ja sedimentaatio ovat analogisia prosesseja, mutta ainoastaan kohtuullisen ajavan voiman tapauksessa. Vaihtelemalla simuloitavien polymeerien jäykkyyttä osoitetaan sedimentaation menetelmänä soveltuvan solmiutuneiden polymeerien topologian identifioimiseen.

Description

Supervisor

Kaski, Kimmo

Thesis advisor

Linna, Riku

Keywords

sedimentation, sedimentaatio, knot, elektroforeesi, DNA, DNA, polymer, solmu, electrophoresis, polymeeri, topoisomers, topoisomeeri, ideal knot, ideaalisolmu

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122859576

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI