Energieflüsse in biomolekularen und synthetischen Maschinen

• Antragsteller: Deepak Gupta, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 522145273

In diesem Projekt untersuchen wir die Konstruktions- und Funktionsprinzipien biomolekularer und synthetischer Maschinen. Wir wollen sowohl analytische als auch numerische Berechnungsverfahren entwickeln, um die verschiedenen Energieflüsse zu berechnen, die für den stationären Betrieb und die Relaxationsmechanismen dieser Maschinen verantwortlich sind. Dieses Gesamtziel dieses Projekts ist in zwei Aufgaben unterteilt. Aufgabe 1: Berechnung von thermodynamischen Observablen wie Wärme, Arbeit, Effizienz und Entropieproduktion von biomolekularen und synthetischen Maschinen. Aufgabe 2: Relaxation eines Systems unter einem Neustartprotokoll in ein- und zweidimensionalen Brownschen Teilchensystemen. Dabei besteht Aufgabe 1 aus zwei Arbeitspaketen A und B, und Aufgabe 2 aus Arbeitspaket C. Arbeitspaket A konzentriert sich auf den Entwurf eines Modells für eine biomolekulare Maschine, genauer die FoF1-ATP-Synthase. Dabei soll die Rolle verschiedener chemischer Antriebe auf den Gleichgewichtszustand, die Eingangs- und Ausgangsleistung, den Informationsaustausch zwischen den Untereinheiten und die Leistung untersucht werden. Dieses Projekt geht in zweierlei Hinsicht über die bisherige Forschung hinaus: 1) Wir modellieren FoF1 mit genauen Profilen der potenziellen Energie. 2) Diese Maschine wird in einem Zustand untersucht, der weit vom Gleichgewicht entfernt ist (im Gegensatz zu früheren Arbeiten des Antragstellers). Dieses Projekt ermöglicht uns zu zeigen, wie die komplizierten Verbindungen zwischen den Untereinheiten und die ihnen zugrundeliegenden Landschaften den Energieumwandlungsmechanismus dieser Maschine beeinflussen. Die wird außerdem Hinweise auf das mögliche Steuerungsprotokoll für die F1-Kurbelwelle zur ATP-Synthese in vivo liefern. Darüber hinaus sind Forscher daran interessiert, die thermodynamischen Eigenschaften von synthetischen Maschinen außerhalb des Gleichgewichts zu verstehen. Daher untersuchen wir in Arbeitspaket B eine synthetische Maschine, den „Brownian gyrator“ aus einem und zwei Teilchen, in Gegenwart von farbigem Rauschen. Unser Ziel ist es, die exakten Fluktuationen der thermodynamischen Observablen (Wärme, Arbeit, Effizienz, stochastische Fläche, …) bei endlichen Zeiten zu berechnen, indem wir die Green'sche Funktionsmethode auf ein zeitlich begrenztes Regime erweitern. Eine solche Erweiterung wurde bisher noch nie erforscht. Ein weiteres offenes Problem, das wir lösen wollen, ist die Entwicklung einer Verbindung zwischen der Pfadintegral- und der Green'schen Funktionsmethode. Im Arbeitspaket C diskutieren wir schließlich die Relaxation der Brownschen Teilchensysteme (motiviert durch die obigen Maschinen) in ihren stationären Zustand. In diesem Rahmen planen wir eine Methode zu entwickeln, mit der eine Maschine unter Verwendung des Neustartprotokolls schneller und mit geringen Dissipationsverlusten zu ihrem stationären Zustand zurückkehren kann.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle