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Elastizität von vernetzten semiflexiblen Biopolymersystemen

Elasticity of crosslinked semiflexible biopolymer systems

by Daniel Wilkin
Doctoral thesis
Date of Examination:2015-06-09
Date of issue:2015-06-29
Advisor:Prof. Dr. Annette Zippelius
Referee:Prof. Dr. Annette Zippelius
Referee:Prof. Dr. Reiner Kree
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-5166

 

 

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Format:PDF
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Abstract

English

In eukaryotic cells biopolymers such as actin filaments can arrange in various ways due to actin binding proteins, and for many cellular processes such biopolymers are of crucial importance. In this thesis, two different model systems are studied which represent special polymer systems of biological cells in a simplified manner. First, a system consisting of a certain number of semiflexible polymer chains of the same length is examined with Monte Carlo simulations. The polymer chains are grafted perpendicularly on a plane substrate, whereby neighboring chains can be reversibly connected by crosslinks which leads to the emergence of polymer bundles. If the grafting positions on the substrate deviate from the regular arrangement, a persistent and stationary bundle structure can be observed. Furthermore, a system which consists of two semiflexible polymer chains that are connected with each other equidistantly with regard to the arc length is studied analytically. It turns out that the increase of both the number of crosslinks and the crosslink strength gives rise to a non-linear increase of the stiffness of the system.
Keywords: Semiflexible Polymers; Polymer Bundles; Force-Extension-Relation

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Biopolymere wie zum Beispiel Aktinfilamente können sich innerhalb von eukaryotischen Zellen dank aktin-bindender Proteine in vielfältiger Weise anordnen und sind für viele zelluläre Prozesse von besonderer Wichtigkeit. In dieser Arbeit werden zwei unterschiedliche Modellsysteme studiert, die in vereinfachter Form speziellen, real existierenden Polymersystemen aus biologischen Zellen nachempfunden sind. Zuerst wird mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen ein System behandelt, das aus einer bestimmten Anzahl an semiflexiblen Polymerketten gleicher Länge besteht, die senkrecht auf einer ebenen Substratoberfläche aufgepfropft sind. Crosslinks können benachbarte Ketten miteinander reversibel verknüpfen und ermöglichen durch diese Kopplung die Entstehung von Polymer-Bündeln. Verfügt das System über eine unregelmäßige Anordnung der Grafting-Positionen auf der Substratoberfläche, so führt dies zu einer persistenten, ortsfesten Bündelstruktur. Anschließend wird auf analytischem Wege die Spannungs-Dehnungs-Kurve für ein System berechnet, das aus zwei semiflexiblen Polymerketten besteht, die durch irreversible und bezüglich der Bogenlänge äquidistant angeordnete Crosslinks miteinander verbunden sind. Es kann gezeigt werden, dass sowohl die Erhöhung der Crosslink-Anzahl als auch die Zunahme der Crosslink-Stärke zu einer nichtlinearen Erhöhung der Systemsteifigkeit führt.
Schlagwörter: Semiflexible Polymere; Polymer-Bündel; Spannungs-Dehnungs-Kurve
 

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