Charged Polymers: From DNA to Polyampholytes

Abstract

Three main themes are outlined in this thesis:



Polyelectrolytes/DNA : In a living cell, DNA molecules have a compact conformation in order to fit in, while in a test tube they will take on an expanded cylindrical shape, due to the negative phosphate groups along the DNA molecule. With the help of computer simulations it has been shown that like-charged monomers of a poly- electrolyte can attract each other if the counterions are taken into account. This is due to ion-ion correlations, which become important at high electrostatic coupling. These findings are confirmed by fluorescence microscopy.



Polyampholytes : Polyampholytes are polymers with both negative and positive charges and they have the ability to adsorb to charged surfaces, modifying the surface properties. With the help of computer simulations it is possible to explain how and why poly- ampholytes adsorb to charged surfaces and how they can affect forces between other charged macroions. The behavior of a polyampholyte is very dependent on the chain topology.



Computational Steering and visualization of molecular simulations : GISMOS is a project aimed at providing an intuitive and powerful program suite for visualizing and controlling molecular simulations. The basic idea is to be able to use existing well-tested simulation programs and provide them with a visual interface in which all important aspects of the program can be controlled.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Polymerer är långa kedjeliknande molekyler som är vanligt förekommande i naturen och även i många tekniska sammanhang. I lösning är polymerer ofta laddade. De kallas för polyelektrolyter om de har en sorts laddning och polyamfolyter om de har både positiva och negativa laddningar. Exempelvis så är DNA och RNA polyelektrolyter medan proteiner är polyamfolyter. Mitt arbete berör tre olika projekt; DNA-kondensation, polyamfolytadsorption och visualisering av molekylära datorsimuleringar. Dessa berörs kort nedan.



DNA-kondensation : I celler har DNA molekyler en kompakt form för att fysiskt kunna passa in medan DNA i ett provrör har en expanderad avlång form. Den avlånga formen beror på att de negativa laddningarna som ligger längs med DNA molekylen repellerar varandra. I datorsimuleringar har vi funnit att likaladdade segment av en DNA molekyl kan attrahera varandra om man inkluderar motjonerna i systemet. Denna attraktion kan förklaras med en mekanism, välkänd från andra system, som kallas för korrelationsväxelverkan. Fluoroscensmikroskopi-experiment bekräftar att korrelationsväxelverkan kan vara en bidragande orsak till att DNA veckar sig till en storlek som ryms i en cell.



Polyamfolytadsorption : Polyamfolyter, som totalt sett är neutrala, kan fästa (adsorbera) till laddade ytor genom att ordna sina laddningar så att de motsatt laddade hamnar nära väggen och de likaladdade så långt bort som möjligt från väggen. Vi har också visat att polyamfolyter, som totalt sett har en laddning av samma sort som ytan, kan fästa vid ytan genom att ordna upp sina laddningar. Graden av adsorption styrs av hur laddningarna är fördelade på polymeren. Adsorberade polyamfolyter modifierar ytornas egenskaper och man kan både stabilisera och koagulera system med hjälp av polyamfolyter beroende på polyamfolytens och ytornas beskaffenhet. Dessa fenomen är av intresse i biologiska och tekniska system (t.ex. vid blodkoagulering, vattenrengöring, pappers- och livsmedels-tillverkning samt inom fotografi).



Visualisering av molekylära datorsimuleringar : Datorsimuleringar framstår allt mer som ett viktigt verktyg för att beskriva molekylära system. Fastän de numeriska verktygen har nått en viss mognad, har hjälpmedel för att intuitivt ge förståelse för simuleringar varit lätträknade. I ett försök att komma tillrätta med denna brist har vi utvecklat GISMOS (Graphics and Interactive Steering of MOlecular Simulations), som är ett mjukvarupaket för att visualisera och styra pågående simuleringar. Genom att utnyttja människans stora kapacitet att förstå bilder (i motsats till att förstå siffror) kan utbytet från de numeriska beräkningarna öka. Programpaketet GISMOS har en plats både i utveckling, forskning och undervisning.

• author: Khan, Malek O
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Netz, Roland R
• organization: Computational Chemistry
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Theoretical Chemistry
• keywords: computational steering, DNA condensation, ion correlations, electrostatic interactions, colloidal stability, polyampholytes, Monte Carlo simulations, polyelectrolytes, Theoretical chemistry, quantum chemistry, Teoretisk kemi, kvantkemi
• pages: 150 pages
• defense location: Lecture Hall C, Chemical Center
• defense date: 2001-05-18 13:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNKDL/NKTC--99/1012--SE
• ISBN: 91-7874-130-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Theoretical Chemistry (S) (011001039)
• id: 43d37f46-3637-41df-a837-3c6a965d2f34 (old id 41659)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:18:30
• date last changed: 2018-11-21 20:58:01