Selbstorganisation und Dynamik von 2D DNA-Kinetoplast

In den letzten Jahren wurde den Eigenschaften von topologisch miteinander verknüpften (verketteten) Ringpolymeren immer mehr Aufmerksamkeit gewidmet. Diese Klasse vielversprechender topologisch verknüpfter Materialien umfasst sowohl natürlich vorkommende biologisch verkettete Polymere als auch synthetisch hergestellte DNA-Catenane. Insbesondere die Kinetoplasten-DNA stellt eine einzigartige mitochondriale Struktur dar, die einigen einzelligen menschlichen Pathogenen gemeinsam ist. Die Kinetoplasten-DNA ist eine komplexe Struktur, die aus Tausenden von miteinander verbundenen DNA-Miniringen besteht, und eignet sich in einzigartiger Weise als Modellsystem für die Untersuchung von 2D- organisierten Polymeren.Trotz neuster experimenteller Fortschritte hat das grundlegendes Wissen über die theoretische Physik solcher zweidimensionaler verketteter Ringpolymere bisher nur begrenztes Interesse geweckt.Unser Fokus liegt hier auf dem Verständnis der strukturellen Eigenschaften des Kinetoplasten unter Einschluss oder Strömung, mit dem Ziel, das grundlegende Verständnis der physikalischen Mechanismen zu verbessern, die seine Selbstorganisation bestimmen. Diese Arbeit ist computergestützt und schlägt eine zweistufige coarse-graining- Strategie für die DNA-Minikreise vor, die die Bausteine des Kinetoplasten bilden.Die erste Ebene beinhaltet eine Vergröberung von einer reinen Atomdarstellung bis zur Nukleotidebene ("effektive Monomerebene). Auf einer zweiten Ebene der Grobkörnung werden DNA-Minikreise als durchdringbare Ringe betrachtet, und alle effektiven physikalischen Wechselwirkungen werden weiter auf eine punktförmige Beschreibung auf der Ebene des Massenschwerpunkts reduziert.Durch die Verwendung eines geeigneten grobkörnigen Zwei-Ebenen-Modells, das sowohl die Grundlinien- als auch die grobkörnige Auflösung der topologisch verknüpften DNA-Bestandteile beibehält, besteht unser Hauptziel darin, sowohl die Auswirkungen der Fließeigenschaften als auch ihr Zusammenspiel mit der Polymergröße und architektur zu quantifizieren und zu analysieren.Die zugrunde liegende Hypothese dieses Projekts ist, dass wir durch die Variation der Geometrie und Topologie von 2D-verketteten Ringpolymeren (Grad der topologischen Verknüpfung und Konturlänge der DNA-Minikreis-Bausteine) und die Manipulation der Eigenschaften des aufgezwungenen Flusses, die Herstellung von zweidimensionalen Polymeren mit gewünschter Gaußscher Krümmung steuern können. Ergänzend zu unserem computergestützten Ansatz wurde eine Zusammenarbeit mit der experimentellen Gruppe von Prof. Alex Klotz etabliert, um ein Mittel zur Validierung unserer Modelle bereitzustellen. Neuste Arbeiten des externen Mitarbeiters dieses Projekts, Alexander Klotz, haben einige faszinierende Fakten über die mesoskopische Struktur des Kinetoplasten experimentell ermittelt, aber vom theoretischen Standpunkt aus ist sehr wenig bekannt.Unsere Arbeit wird zum Verständnis der physikalischen Mechanismen beitragen, die die Selbstorganisation und die elastischen Eigenschaften des Kinetoplasten bestimmen, indem eine genaue Modellierung über die Skalen hinweg eingesetzt wird.

In den letzten Jahren hat das Interesse an den Eigenschaften topologisch miteinander verknüpfter (katenierter) Ringpolymere stetig zugenommen, einschließlich sowohl natürlich vorkommender biologischer katenierter Polymere als auch synthetisch hergestellter DNA-Katenane. Trotz experimenteller Fortschritte bleibt unser fundamentales Wissen über die theoretische Physik katenierter Ringpolymere deutlich hinter dem anderer polymerer oder verknüpfter Systeme (z. B. Rotaxane) zurück. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts besteht darin, fortschrittliche computergestützte Werkzeuge einzusetzen und Simulationen über verschiedene Skalen hinweg zu kombinieren, um die strukturellen Eigenschaften und die Selbstorganisation von 2D-katenierten Ring-DNA-Systemen zu untersuchen und realistische Beschreibungen ihrer Morphologie und physikalischen Reaktionen (z. B. auf mechanisches Dehnen oder Flüssigkeitsströmungen) bereitzustellen. Die Forschungsaktivitäten konzentrierten sich auf die Ableitung von bottom-up, coarse-grained (CG) Modellen vom Perlen-Feder-Typ für die einzelnen doppelsträngigen (ds) DNA-Minikreise, die katenierte DNA-Systeme bilden. Zwei Ebenen der grobkörnigen Modellierung wurden implementiert: a) Die erste Ebene der grobkörnigen Modellierung umfasst die Hochskalierung von einer all-atomaren (AA atomistischen) zu einer reduzierten, Basenpaar-Ebene (CG atomistisch) und die Ableitung effektiver Potentiale mithilfe der Iterative Boltzmann Inversion-Methode. b) Die zweite Ebene der grobkörnigen Modellierung umfasst die Hochskalierung von einer all-atomaren (AA atomistischen) Beschreibung zu einer effektiven, partikelähnlichen Beschreibung des Schwerpunkts der Minikreise. Die entsprechenden effektiven Potentiale wurden durch Umbrella Sampling Molekulardynamik-Simulationen unter Verwendung der Weighted Histogram Analysis Method berechnet. Zwei Arten effektiver Wechselwirkungen wurden bestimmt: a) Wechselwirkungen zwischen direkt verbundenen DNA-Minikreisen und Wechselwirkungen zwischen DNA-Minikreisen, die indirekt durch ihre Verknüpfung mit einem anderen DNA-Minikreis verbunden sind. Eine wichtige Erkenntnis dieses Projekts ist, dass die kreisförmige DNA-Topologie kontrastierende Effekte von zweiwertigen Gegenionen auf die effektiven Paarpotentiale hervorrufen kann: Während die DNA-DNA-Abstoßung bei kurzen Schwerpunktsabständen in Anwesenheit von zweiwertigen Gegenionen (im Vergleich zu einwertigen Ionen) für lineare DNA-Fragmente signifikant abnimmt, tritt bei mäßig kurzen DNA-Minikreisen der entgegengesetzte Effekt auf. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass lineare DNA-Fragmente leicht relative Orientierungen annehmen können, die elektrostatische und sterische Abstoßungen minimieren, indem sie sich relativ zueinander drehen und aufgrund der freien Enden eine ausgeprägtere Biegung zeigen. Eine weitere wichtige Erkenntnis des Projekts ist die ionenspezifische Modulation der Konformation und Kompaktheit von DNA-Oligokatenanen: Ein interessantes Zusammenspiel ergibt sich in Abhängigkeit von der Konturlänge der einzelnen DNA-Minikreis-Bestandteile und kann zu einer nicht-intuitiven, nicht-monotonen Veränderung der Gesamtgröße von DNA-Katenanen bei steigender Ionenstärke von zweiwertigen Gegenionen führen.