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Simulation of supercoiled rings under shear flow
Christoph Schneck
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Christos Likos
Mitbetreuer*in
Jan Smrek
DOI
10.25365/thesis.73220
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22590.43562.668053-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In dieser Masterarbeit werden mithilfe von Computersimulationen die Eigenschaften von ringförmigen Polymeren mit Supercoiling hinsichtlich ihrer Dynamik und ihrer Form unter Scherung analysiert. Das Verhalten von Polymeren unter Scherung ist ausgiebig untersucht worden, jedoch ohne Torsion zu berücksichtigen, welche Supercoiling ermöglicht. Während die meisten Polymerarchitekturen unter Scherung Tumblingbewegungen durchführen, verursacht Scherung bei ringförmigen Polymeren eine Inflationsphase für gewisse Scherraten. Diese Phase tritt exklusiv für die Ringtopologie auf und benötigt hydrodynamische Wechselwirkung (HI). Das Ziel dieser Masterarbeit besteht darin, dieses Experiment auf ein Modell zu erweitern, das zusätzlich Torsions- und Biegungssteifigkeit der Ringpolymere beachtet. Solch ein Modell ist von Interesse für die Simulation von Supercoiled DNA und Plasmiden, welche in der Natur auch ringförmig vorkommen. Es wird vermutet, dass eine ähnliche Inflationsphase auch für Ringpolymere mit Supercoiling auftreten könnte. Jedoch bleibt die Frage offen, ob Supercoiling diese nicht verhindert. Die Polymere werden als ringförmige Ketten modelliert und ihre Zeitentwicklung wird berechnet mithilfe von Molekulardynamik-Simulationen. Multi-Particle Collision Dynamics (MPCD), ein Algorithmus beschrieben von Gompper et al., simuliert das Lösungsmittel. Die HI mit dem Polymer wird ermöglicht, indem die Monomere an dem MPCD-Kollisionsschritt teilnehmen. Scherfluss wird hinzugefügt durch das Verwenden von Lees-Edwards-Randbedingungen und ein Thermostat auf Zelllevel hält die Temperatur konstant. Um eine ausreichend große Datenmenge, lange Polymerketten und hohes Rechnertempo zu ermöglichen, ist Zugang zum Vienna Scientific Cluster gewährt. Die Ergebnisse bestätigen das Auftreten der Inflationsphase für flexible Ringpolymere und zeigen dessen Abhängigkeit von HI durch Messung des Gyrationtensors für variierende Scherraten. Dieses Verhalten wird nicht bei Polymeren mit Supercoiling beobachtet, die aufgrund der Torsions- und Biegungssteifigkeit träger auf die angewandten Scherkräften reagieren. Die Simulationen ergeben, dass die Ringe mit Supercoiling bei ansteigender Scherrate in Flussrichtung ausgerichtet während die allgemeine Form bewahrt wird, was durch Messung von Writhe, Twist und Formparametern der Polymere mit Supercoiling nachvollzogen wurde. Zusätzlich stellt sich heraus, dass HI keinen Einfluss auf die Dynamik von Polymeren mit Supercoiling hat.
Abstract
(Englisch)
In this Master Thesis, the dynamical and structural properties of supercoiled ring-shaped polymers under shear flow are examined with computer simulations. The behaviour of polymer models under shear have been investigated extensively, yet without torsion that gives the possibility of supercoiling. It was found that, while for most architectures, shearing a polymer forces it to tumble, ring-shaped polymers experience a shear-induced inflation phase for shear rates within a certain range. This phase was found to be exclusive to their shape and to require the presence of hydrodynamic interactions. The goal of the Thesis is to extend this experiment to models with additional potential terms that consider torsional and bending stiffness of ring polymers. Such models are of interest for the simulation of supercoiled DNA and plasmids, which occur naturally in circular form. It is anticipated that a similar inflation phase might exist for supercoiled ring polymers as well, but competition of supercoiling is an open question. The polymers are simulated as ring-shaped chains and their dynamics are determined by means of molecular dynamics. A Multi-Particle Collision Dynamics (MPCD) algorithm as described in the review of Gompper et al. serves as solvent background. The hydrodynamic interaction with the polymer is realized by incorporating the monomers into the collision step of the MPCD. Shear flow is imposed via Lees-Edwards boundary conditions and cell-level thermostating is performed to maintain constant temperature. In order to achieve sufficiently large sample sizes, polymer sizes, and high computational speed, access to the Vienna Scientific Cluster supercomputers is provided. The results reproduce the inflation phase for fully flexible ring polymers and demonstrate its dependency on the presence of HI by measuring the gyration tensor at varying shear rates. This behaviour is not found for supercoiled rings which appear to be more inert to the shear forces applied as a result of the torsional and bending stiffness. The simulations suggest that with increasing shear rate they are aligned along the shear flow direction while their overall shape is maintained which is observed by tracking the writhe, twist and the shape parameters of the supercoiled polymers. In addition, HI does not seem to play a role for the dynamics of supercoiled polymers.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Molekulardynamik Polymerphysik Supercoiling Scherfluss
Schlagwörter
(Englisch)
Molecular dynamics polymer physics supercoiling shear flow
Autor*innen
Christoph Schneck
Haupttitel (Englisch)
Simulation of supercoiled rings under shear flow
Paralleltitel (Deutsch)
Simulation von Ringen mit Supercoiling unter Scherung
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
61 Seiten : Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christos Likos
Klassifikationen
33 Physik > 33.25 Thermodynamik. statistische Physik ,
33 Physik > 33.69 Flüssigkeiten
AC Nummer
AC16786652
Utheses ID
65865
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |