本文關(guān)鍵詞：自驅(qū)動(dòng)粒子靶點(diǎn)搜尋動(dòng)力學(xué)及DNA鏈跨膜運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)

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【摘要】：本文運(yùn)用朗之萬動(dòng)力學(xué)(Langevin Dynamics)模擬方法研究了自驅(qū)動(dòng)粒子靶點(diǎn)搜尋動(dòng)力學(xué)以及單鏈DNA外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下跨膜運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)。首先,我們用數(shù)值模擬研究了自驅(qū)動(dòng)粒子對(duì)靶點(diǎn)位于封閉域中心位置以及邊界處兩種情況下的搜尋動(dòng)力學(xué)。當(dāng)靶點(diǎn)位于中心位置時(shí),如果自驅(qū)動(dòng)粒子轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)散不過慢,那么它的搜尋效率相比于布朗粒子會(huì)得到提升。這種情況下,通過合適調(diào)節(jié)特征轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間τ0和自驅(qū)動(dòng)速度v0可以得到最短的平均搜尋時(shí)間。進(jìn)一步分析可知這是由于自驅(qū)動(dòng)行為的加強(qiáng)提升了粒子的擴(kuò)散能力,同時(shí)也強(qiáng)化了粒子的趨邊化行為,兩者之間的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了極值的存在。然而,當(dāng)靶點(diǎn)位于邊界處時(shí),隨著特征轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間τ0和自驅(qū)動(dòng)速度v0的增加,搜尋效率單調(diào)提升。這項(xiàng)研究表明了靶點(diǎn)位置對(duì)自驅(qū)動(dòng)粒子的搜尋動(dòng)力學(xué)的重要影響,同時(shí)為通過調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)來達(dá)到最優(yōu)化搜尋提供了理論指導(dǎo)。接著,我們又研究了在非均相環(huán)境中,自驅(qū)動(dòng)粒子的靶點(diǎn)搜尋動(dòng)力學(xué)。研究發(fā)現(xiàn)空間多相性對(duì)自驅(qū)動(dòng)粒子的搜尋動(dòng)力學(xué)有著很大的影響。自驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度lp和封閉域空間尺寸Rc的相對(duì)大小決定了平均搜尋時(shí)間τ隨著固定障礙物濃度(?)ob的變化趨勢(shì)。當(dāng)lpRc時(shí),靶點(diǎn)搜尋過程由擴(kuò)散主導(dǎo),τ隨著(?)ob增大而單調(diào)增加。而當(dāng)lpRc時(shí),由于趨邊化影響和擴(kuò)散控制的競(jìng)爭(zhēng)作用,τ隨著(?)ob變化會(huì)有極小值。此外,在固定障礙物濃度(?)ob下,若轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)散比較慢且(?)ob較低,τ隨著自驅(qū)動(dòng)速度v0變化有極小值,而(?)ob較高時(shí)則單調(diào)減小。此項(xiàng)研究介紹了由于空間非均相性所帶來的豐富的靶點(diǎn)搜尋行為,加強(qiáng)了我們對(duì)活化物質(zhì)在非均相介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)行為的理解。最后,我們研究了單鏈DNA穿越納米孔過程中運(yùn)動(dòng)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(gè)量級(jí)主要是由于生物孔相對(duì)于DNA單體尺寸十分狹窄所引起的孔道內(nèi)摩擦阻力急劇增大而致。對(duì)于固體孔,穿孔時(shí)間的分布主要是孔外的分子鏈構(gòu)象擺動(dòng)所致,而對(duì)于生物孔,則因?yàn)榭椎纼?nèi)分子鏈的布朗運(yùn)動(dòng)所造成。此外更重要的是,我們提出一個(gè)可以進(jìn)一步減慢DNA穿孔速度的模型,利用勢(shì)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(jì)算模擬,展示了勢(shì)阱的深度、寬度以及驅(qū)動(dòng)力的大小如何控制DNA鏈從無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)變成能滿足DNA測(cè)序需求的慢速有規(guī)律運(yùn)動(dòng)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：Q523;O631.1

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