Phasenverhalten und Struktur von semiflexiblen Polymeren in kugelförmiger endlicher Geometrie

• Antragsteller: Professor Dr. Arash Nikoubashman; Dr. Peter Virnau, seit 10/2022
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 261177998

Semiflexible Biopolymere, wie Nukleinsäuren (z.B., DNA), Proteine, Kohlenhydrate, u.a., treten über einer gewissen Schwellenkonzentration als flüssig-kristallin nematisch-geordnete Phasen auf, die vielversprechende strukturelle und Funktionseigenschaften aufweisen. Solche Systeme sind vom großen Interesse angesichts fundamentaler Fragen der Morphogenesis und der Evolution lebendiger Organismen als auch für potentielle biomedizinische Anwendungen.Durch Molekular-Dynamik-Simulationen, ergänzt durch numerische Rechnungen mittels der Dichtefunktionaltheorie, wurde ein Modell für lyotrope Lösungen semiflexibler Makromoleküle in begrenzten Geometrien umfassend studiert für einen weiten Bereich der Monomerdichte, Kettenlängen, sowie Kettensteifigkeiten. Damit wird eine modellhafte Beschreibung von Systemen, wie Vesikel, die synthetische Polymere zum Zweck von "drug delivery" enthalten, oder von im biophysikalischen Kontext interessanten Systemen, wie Biomoleküle, die in ihrer Konformation durch Zellmembranen eingeschränkt sind, erzielt. Um einen genügend weiten Bereich von Längenskalen abzudecken (physikalisch sind Radien von Kapsiden und Vesikeln von 10 nm bis 50 µm relevant), werden zwei repräsentative Grenzfälle behandelt, nämlich Radien die dieselbe Größenordnung wie die Kettenlänge bzw. Persistenzlänge der Polymere haben, sowie "planare" Wände, die unendlich großen Radien entsprechen. Hierbei werden sowohl rein abstoßende als auch attraktive Wechselwirkungen zwischen den Polymeren und den Begrenzungswänden studiert. Bei stark attraktiver Wechselwirkung wurden neuartige Ordnungszustände der Polymere an der Membranwand gefunden, wie eine zweidimensionale flüssigkristalline Phase vom Typ "smectic C". Ist der Krümmungsradius der Vesikel vergleichbar zu der Persistenzlänge, findet man in einer dünnen Schicht entlang der Membran eine lokal nematisch geordnete Struktur mit topologischen Defekten, die entweder zu einer sogenannten "Tennisball"-Textur oder einer bipolaren Textur führen können. Bei hoher Polymerkonzentration kommt es zu einer nicht trivialen Konkurrenz der lokalen Ordnungszustände im Inneren der Kugel und nahe der Kugeloberfläche.Um alle diese Phänomene umfassend zu interpretieren, ist auch eine genaue Untersuchung der Phasenübergänge und Ordnungszustände des Polymermodells ohne einschränkende Wände notwendig. Da für viele der oben genannten Anwendungen die elastische Deformation der begrenzenden Wand der Zelle bzw. Vesikel relevant ist, sollen jetzt nicht nur starre Wände sondern auch elastisch deformierbare Wände studiert werden, ebenso wie elastische Eigenschaften der relevanten flüssig-kristallinen Phase. Auch soll das Wechselspiel zwischen nematischer Ordnung und Entmischung unter Einschluss untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Bulgarien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Andrey Milchev
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Kurt Binder, bis 10/2022 (†)