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Theory and simulations of designable modular bionic proteins
Chiara Cardelli
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Betreuer*in
Christoph Dellago
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11571.41207.889063-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Self-assembly ist der Prozess, bei dem ein Satz von kleinen Bausteinen sich spontan zu einer vorbestimmten, stabilen Struktur zusammensetzen. Die zahlreichen potentiellen Anwendungen, wie Katalyse oder aktive Reaktion auf die Umwelt, machen self-assembly zu einem der aktivsten Forschungsgebiete in den Materialwissenschaften.
Heteropolymere sind wichtige Beispiele für solche self-assembling Systeme. Sie sind Ketten, die aus kleineren Bausteinen zusammen gesetzt sind, die einem sogenannten Alphabet entnommen werden. Die räumliche
Struktur in der sich ein Heteropolymer anordnet, ist durch die Reihenfolge der Bausteine entlang der Kette bestimmt. Die Technologie für die Synthese und Manipulation von Heteropolymeren ist bereits fortgeschritten. Es ist jedoch noch nicht möglich Systeme zu designen die viele unterschiedliche Strukturen präzise formen können, wie das Proteine (natürliche Heteropolymere) tun.
In dieser Dissertation demonstriere ich durch computergestützte Studien eines breiten Spektrum von Polymergeometrien und Alphabeten, dass direktionale Wechselwirkungen es erlauben, Heteropolymere mit Präzision und Variabilität vergleichbar derer von Proteinen zu designen.
Mean Field Theorien für Protein freezing zeigen, dass es, um Heteropolymere zu designen, notwendig ist, die Anzahl der zugänglichen Konfigurationen zu reduzieren, die mit dem minimalen Alphabet zugänglich sind.
Ich führe eine Methode ein, die zeigt, dass direktionalen Wechselwirkungen diese Rolle erüllen.
Weiters, führe ich ein einfaches und experimentell zugängliches Kriterium basierend auf der radial distribution function ein, das designbare von nicht-designbaren Polymer-backbones unterscheidet. Ich zeige, dass dieses
Kriterium sowohl von natürlichen Proteinen als auch von den von uns untersuchten designbaren Heteropolymeren erfüllt wird.
Die beiden letztgenannten Resultate sind Leitlinien für die Entwicklung neuer Arten von self-assembling Heteropolymeren, die neue Anwendungen für die Polymer-basierten Materialwissenschaften eröffnen.
Am Schluss, stelle ich eine Studie von designbaren Heteropolymerkonformationen mit komplexen verknoteten Topologien vor, die den Weg zu Anwendungen in der Konstruktion und Synthese von aktiven Materialien, sowie
zu neuen drug-delivery Methoden ebnen können.
Abstract
(Englisch)
Self-assembly is the process by which a set of building blocks spontaneously reaches a stable pre-determined ground state with well defined structure. The large number of potential applications, such as active response to the environment or catalysis, makes self-assembling a most researched feature
in material science.
Heteropolymers are important examples of self-assembling systems, where the structure is determined by the sequence along the chain of an alphabet of building blocks. The technology for the synthesis and manipulation of heteropolymers is already advanced. However, so far it has not been possible to design systems that both form precise structures and have a high variability of these structures, comparable to what proteins (natural heteropolymers) can achieve.
In this doctoral thesis, I demonstrate through computational studies over a broad spectrum of polymer geometry and alphabets that directional interactions allow to design heteropolymers with precision and variability comparable to proteins.
I introduce a computational method to measure the number of accessible compact configurations of a polymer to verify, following the predictions of the mean field theories for protein freezing, that the role of the directional
interactions is to reduce such number, that is connected to the minimal alphabet necessary to design the polymer.
Moreover, I introduce a simple and experimentally accessible criterion based on the radial distribution function, to discriminate a priori designable from not-designable polymer backbones. I show that this criterion is fulfilled both by for natural proteins than for our designable heteropolymers.
The latter two tools can guide the engineering of new types of self-assembling heteropolymers that will open new applications for polymer-based materials science.
Finally, I present a computational study of designed heteropolymer conformations with complex knotted topologies. The unprecedented self-assembled knotted structures can then be externally locked simply by controlling the interaction between the end monomers, paving the way to applications in the design and synthesis of active materials and novel carriers for drug delivery.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Self-assembly heteropolymers proteins design
Schlagwörter
(Deutsch)
Self-assembly Heteropolymeren Proteinen design
Autor*innen
Chiara Cardelli
Haupttitel (Englisch)
Theory and simulations of designable modular bionic proteins
Paralleltitel (Deutsch)
Theorie und Simulationen von designbaren und modularen bionischen Proteinen
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
xii, 134 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Mark Miller ,
Achille Giacometti
Klassifikation
33 Physik > 33.25 Thermodynamik, statistische Physik
AC Nummer
AC15111345
Utheses ID
47217
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |