本文關鍵詞：自驅動粒子靶點搜尋動力學及DNA鏈跨膜運輸動力學

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【摘要】：本文運用朗之萬動力學(Langevin Dynamics)模擬方法研究了自驅動粒子靶點搜尋動力學以及單鏈DNA外場驅動下跨膜運輸動力學。首先,我們用數值模擬研究了自驅動粒子對靶點位于封閉域中心位置以及邊界處兩種情況下的搜尋動力學。當靶點位于中心位置時,如果自驅動粒子轉動擴散不過慢,那么它的搜尋效率相比于布朗粒子會得到提升。這種情況下,通過合適調節(jié)特征轉動時間τ0和自驅動速度v0可以得到最短的平均搜尋時間。進一步分析可知這是由于自驅動行為的加強提升了粒子的擴散能力,同時也強化了粒子的趨邊化行為,兩者之間的競爭導致了極值的存在。然而,當靶點位于邊界處時,隨著特征轉動時間τ0和自驅動速度v0的增加,搜尋效率單調提升。這項研究表明了靶點位置對自驅動粒子的搜尋動力學的重要影響,同時為通過調節(jié)運動參數來達到最優(yōu)化搜尋提供了理論指導。接著,我們又研究了在非均相環(huán)境中,自驅動粒子的靶點搜尋動力學。研究發(fā)現空間多相性對自驅動粒子的搜尋動力學有著很大的影響。自驅動長度lp和封閉域空間尺寸Rc的相對大小決定了平均搜尋時間τ隨著固定障礙物濃度(?)ob的變化趨勢。當lpRc時,靶點搜尋過程由擴散主導,τ隨著(?)ob增大而單調增加。而當lpRc時,由于趨邊化影響和擴散控制的競爭作用,τ隨著(?)ob變化會有極小值。此外,在固定障礙物濃度(?)ob下,若轉動擴散比較慢且(?)ob較低,τ隨著自驅動速度v0變化有極小值,而(?)ob較高時則單調減小。此項研究介紹了由于空間非均相性所帶來的豐富的靶點搜尋行為,加強了我們對活化物質在非均相介質中運動行為的理解。最后,我們研究了單鏈DNA穿越納米孔過程中運動控制問題。我們揭示了單鏈DNA鏈穿越生物孔要比人造固體孔慢兩個量級主要是由于生物孔相對于DNA單體尺寸十分狹窄所引起的孔道內摩擦阻力急劇增大而致。對于固體孔,穿孔時間的分布主要是孔外的分子鏈構象擺動所致,而對于生物孔,則因為孔道內分子鏈的布朗運動所造成。此外更重要的是,我們提出一個可以進一步減慢DNA穿孔速度的模型,利用勢阱捕獲分子鏈片段使DNA鏈一步一步連續(xù)通過孔道。利用朗之萬計算模擬,展示了勢阱的深度、寬度以及驅動力的大小如何控制DNA鏈從無規(guī)則的運動變成能滿足DNA測序需求的慢速有規(guī)律運動。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：Q523;O631.1

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本文編號：1307414