Nichtgleichgewichtsdynamik von Makromolekülen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfhard Janke
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469830597

Das Projekt zielt darauf ab, die Nichtgleichgewichtkinetik von Konformationsübergängen in Makromolekülen zu erforschen. Konkret soll die Kinetik des Kollapsübergangs eines Polymers untersucht werden, der durch Variation des Lösungsmittels von gut zu schlecht gesteuert werden kann. Ein besonderer Schwerpunkt wird dabei auf die Rolle der Viskosität des Lösungsmittels gelegt, die in Molekulardynamik (MD) Simulationen mit einer vergröberten expliziten Lösungsmittelbeschreibung durch einen Lowe-Andersen (LA) Thermostaten gezielt variiert werden kann. Dabei bleiben hydrodynamische Wechselwirkungen erhalten. Dies modelliert in guter Näherung ein realistisches Polymer in Lösung. Die Nichtgleichgewichtskinetik des Kollapsübergangs soll durch verschiedene Skalengesetze für die Relaxationszeit, das Wachstum der relevanten zeitabhängigen Längenskala, die die lokalen Ordnungsmechanismen reflektiert, und Alterungseigenschaften charakterisiert werden. In zwei Unterprojekten werden zunächst flexible und dann semiflexible Homopolymere studiert. Motiviert durch die Klassifizierung von Aminosäuren in Proteinen in hydrophobe (H) und hydrophile (P) Residuen werden im dritten Unterprojekt HP-Heteropolymere für ausgewählte Sequenzen betrachtet. Vorläufige Resultate für flexible Homopolymere suggerieren, dass in Abhängigkeit von der Lösungsmittelviskosität ausgedehnte Perioden mit intermediären "wurstförmigen" Strukturen zusammen mit den üblicheren "perlenkettenförmigen" lokalen Ordnungsvorgängen auftreten. Für semiflexible Homopolymere und HP-Heteropolymere erwarten wir ein ähnliches Verhalten. Aufbauend auf unseren Erfahrungen mit der "Coarsening"-Kinetik von Spin- und Teilchensystemen und unseren Kenntnissen in der Identifizierung verschiedener Formeigenschaften (asphärisch, abgeplattet, zylindrisch usw.) von Polymerkonformationen im Gleichgewicht werden wir maßgeschneiderte Methoden entwickeln, die quantitative Analysen ermöglichen. Durch Vergleich dieser drei Klassen von Polymeren erwarten wir Aufschlüsse über mögliche universelle Eigenschaften der Kinetik. Im letzten Teilprojekt gehen wir einen Schritt weiter und wenden diese Methoden auf ein chemisch realistisches Polymer an: Polyalanin, das einen "Coil-Helix"-Übergang zeigt. Hier werden wir MD Simulationen einer atomistischen Modellierung von Polyalanin zunächst in einem vergröberten Lösungsmittel mit Hilfe des LA Thermostaten durchführen. Im zweiten Schritt werden wir dann speziell Wasser als Lösungsmittel in einer atomistischen Darstellung (TIP3P) betrachten. Durch die Kombination mit unseren Ergebnissen für generische Polymere erwarten wir, ein umfassendes Verständnis der Kinetik verschiedener Konformationsübergänge von Makromolekülen erzielen zu können. Gleichzeitig sollten unsere Vorhersagen für chemisch realistische Polymere einer experimentellen Prüfung zugänglich sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen