Dynamical Aspects of Driven and Chaperone-Assisted Polymer Translocation

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-09-07
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
102 + app. 54
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 140/2018
Abstract
Polymer translocation is a process where the polymer traverses sequentially through a nanoscale pore from one side of a membrane to the other. The process is involved in trans-portation of DNA, RNA, and proteins through cellular membrane structures. It also offers the promise of a fast and cheap technique for DNA sequencing. For the past 30 years, the study in the field has been intensive and the problem has offered challenges to biologists and physicists alike. This thesis concerns physics of two different polymer translocations processes. In driven polymer translocation, a driving force inside the pore pushes monomers through the membrane. In chaperone-assisted translocation, the bias for the translocation is provided by binding particles on the receiving side of the membrane. We use Langevin dynamics simulations to study and obtain knowledge of these non-equilibrium statistical physics phenomena. Tension propagation theory has established an essential role in the general framework of driven polymer translocation physics. In this thesis, we study the propagation of tension computationally with accurate measurements of related quantities. We find and explain important bias dependent changes in tension and translocation dynamics. We find that small driving force leads to strong biased diffusion of the cis-side polymer segment toward the membrane. This speeds up translocation. Together with friction of the pore, the diffusion causes a finite-size effect in which the scaling exponent, describing dependence of translocation time τ with the polymer length N , τ ∼ N β , increases as a function of driving force. When hydrodynamics is included, we observe the diffusion toward the membrane to be enhanced even further due to the larger diffusion coefficient together with solvent backflow. We also study other less understood aspects of driven translocation. We show that the effect of the trans-side polymer segment on the process is minimal even in the worst case scenario of extreme crowding. Moreover, we investigate the effect of polymer rigidity on translocation dynamics. For semiflexible polymers, we observe regimes in trans-side friction related to driving force, diffusion, and solvent viscosity. We study chaperone-assisted translocation of flexible polymers using the first ever three-dimensional simulation model. We observe great variation in dynamics when details of the binding model are changed. These changes become pivotal for flexible chains. Depending on the binding model, the dynamics of the process can be dominated either by the cis or the trans-side polymer segment. We also observe tension propagation on the cis-side polymer segment, showing that chaperone-assisted translocation is inherently a non-equilibrium process.

Polymeeritranslokaatio on prosessi, jossa polymeeri kulkee monomeeri kerrallaan nanometrikokoluokkaa olevan kanavan läpi kalvon puolelta toiselle. Monet biopolymeerit, kuten DNA, RNA ja proteiinit, kulkevat solun sisäisten kalvorakenteiden läpi tällä tavalla. Polymeeritranslokaatiota hyödynnetään myös uudessa DNA:n sekvensointimenetelmässä. Viimeisen kolmenkymmenen vuoden aikana translokaation tutkimus on ollut intensiivistä ja tutkimukseen on osallistunut niin biologeja kuin fyysikoitakin. Tässä väitöskirjassa tutkitaan kahden polymeeritranslokaatioprosessin fysiikkaa. Ajetussa polymeeritranslokaatiossa kanavan sisällä vaikuttava voima työntää polymeeria kalvon läpi. Kaperoniavusteisessa translokaatiossa polymeerin liikkeen tuottavat polymeeriin kalvon vastaanottavalla puolella sitoutuvat molekyylit. Käytämme Langevin-dynamiikkasimulaatioita yllä kuvattujen statistisen fysiikan epätasapainoilmiöiden tutkimiseen. Jännityksenleviämisteorialla on olennainen rooli ajetun translokaation fysiikassa. Tässä väitöskirjassa tutkimme jännityksen leviämistä simulaatioissa käyttäen tarkkoja dynaamisten ominaisuuksien mittauksia. Osoitamme ja selitämme tärkeitä ajavan voiman suuruudesta riippuvia muutoksia jännityksen ja translokaation dynamiikoissa. Havaitsemme, että pieni ajava voima johtaa cis-puoleisen polymeerin osan voimakkaaseen diffuusioon kalvoa kohti. Diffuusion seurauksena translokaatio nopeutuu. Yhdessä kanavan kitkan kanssa tästä seuraa translokaatioajan τ ja polymeerin pituuden N suhdetta N , τ ∼ N β kuvaavan skaalauseksponentti β:n kasvu ajavan voiman funktiona. Kun hydrodynamiikka sisällytetään malliin, havaitsemme diffuusion kasvavan entisestään suuremman diffuusiokertoimen ja nesteen virtauksen aikaansaamien korrelaatioiden seurauksena. Tutkimme lisäksi muita vähemmän tunnettuja ajetun translokaation ominaisuuksia. Osoitamme, että trans-puolisen polymeerisegmentin vaikutus translokaatioon on pieni. Selvitämme myös polymeerin taivutusjäykkyyden vaikutusta translokaation dynamiikkaan. Havaitsemme jäykkien polymeerien tapauksessa trans-puolen kitkan vaikutuksen riippuvan olennaisesti ajavasta voimasta, diffuusiosta ja nesteen viskositeetista. Simuloimme ensimmäistä kertaa taipuisien polymeerien kaperoniavusteista translokaatiota kolmessa ulottuvuudessa käyttäen kehittämäämme mallia. Havaitsemme kaperonien kiinnittymismenetelmästä aiheutuvia suuria muutoksia prosessin dynamiikassa. Nämä muutokset ovat erityisen merkittäviä joustavien polymeerien tapauksessa. Kiinnittymismenetelmän mukaan sekä kalvon cis- että trans-puoli voivat määrittää prosessin dynamiikan. Havaitsemme cis-puolista jännityksen leviämistä myös kaperoniavusteisessa translokaatiossa, mikä osaltaan osoittaa prosessin olevan epätasapainossa.
Description
Supervising professor
Lampinen, Jouko, Prof., Aalto University, Department of Computer Science, Finland
Thesis advisor
Linna, Riku, Dr., Aalto University, Department of Computer Science, Finland
Keywords
polymer, translocation, molecular dynamics, simulations, chaperone, polymeeri, translokaatio, molekyylidynamiikka, simulaatio, kaperoni
Other note
Parts
  • [Publication 1]: P.M. Suhonen, K. Kaski, R.P. Linna. Criteria for minimal model of driven polymer translocation. Physical Review E, 90, 4, 042702, October 2014.
    DOI: 10.1103/PhysRevE.90.042702 View at publisher
  • [Publication 2]: P.M. Suhonen, J. Piili, R.P. Linna. Quantification of tension to explain bias dependence of driven polymer translocation dynamics. Physical Review E, 96, 6, 062401, December 2017.
    DOI: 10.1103/PhysRevE.96.062401 View at publisher
  • [Publication 3]: P.M. Suhonen, R.P. Linna. Dynamics of driven translocation of semiflexible polymers. Physical Review E, 97, 6, 062413, June 2018.
    DOI: 10.1103/PhysRevE.97.062413 View at publisher
  • [Publication 4]: P.M. Suhonen, R.P. Linna. Chaperone-assisted translocation of flexible polymers in three dimensions. Physical Review E, 93, 1, 012406, January 2016
    DOI: 10.1103/PhysRevE.93.012406 View at publisher
Citation