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Protein sequencing strategy in nanotechnology by classical and quantum atomistic models
Full text linkIl mio lavoro di ricerca ha avuto l’obiettivo di studiare le proprietà principali dell’interazione tra materiale biologico e superfici inorganiche. Per tale scopo è stato utilizzato uno approccio basato sulla teoria del funzionale densità (DFT), lo studio è stato svolto nell’ambito del calcolo ad alte prestazioni utilizzando un approccio quanto-meccanico da principi primi, in modo da poter descrivere al meglio le interazioni chimico-fisiche a livello molecolare e sub-molecolare.
Il tutto è stato applicato in dispositivi di ultima generazione per sequenziamento di catene biologiche, basate sulla tecnologia a nano-poro; in questi sensori nano-strutturati vi è un analisi detta a singola-molecola, il tipo e i modi d’interazioni tra dispositivo e target d’analizzare sono fondamentali e determinano la variazione del nostro segnale in uscita. Il funzionamento è relativamente semplice: si applica agli estremi della superfice con il poro una differenza di potenziale, e si misura la variazione della corrente quando il foro è occupato; le dimensioni del poro fanno si che si possa analizzare una molecola alla volta. Il materiale scelto per la realizzazione di questi dispositivi è stato il grafene per le sue proprietà elettroniche e la sua geometria; le catene biologiche scelte sono sequenze di amminoacidi; questa scelta si basa sulla possibile evoluzione di questi dispositivi, finora utilizzati per il sequenziamento di DNA (commercializzato dalla Oxford Nanopores Technologies), e sull’importanza dell’identificazione della sequenza e della struttura delle proteine, visto la connessione a patologie neurodegenerative come Parkinson e Alzheimer.
Più in dettaglio il mio lavoro di ricerca è partito da studi precedenti dove venivano analizzate filamenti di DNA con la traslazione di basi nucleiche in nano-pori biologici per il sequenziamento; si sono studiati i cambiamenti caratteristici di corrente quando il target si avvicina alla superficie o attraversava il poro in modo da ottenere un'analisi rapida a singola-molecola. Si è provato, così, ad applicare lo stesso principio su sequenze di peptidi, per la loro importanza a livello medico-scientifico, con nanostrutture allo stato solido, visti i vantaggi di quest'ultimi rispetto a quelli biologici (miglior rapporto segnale rumore e una vita media più lunga). Sono state effettuate simulazioni Ab-Initio per caratterizzare sia le proprietà elettroniche superficiali, osservando la densità degli stati (DOS), e sia l'effetto quantistico del tunneling degli elettroni al variare della molecola interagente con la superficie. Per fare ciò si è studiata la corrente elettronica trasversale al piano del poro, su un ribbon di grafene, correlando le variazioni della nube elettronica con la molecola target.
Per raggiungere questi obiettivi abbiamo:
• definito modelli atomistici di interazione tra amminoacidi e bordi di un nano-poro di grafene;
• utilizzato simulazioni atomistiche/molecolari per ottimizzare la morfologia (grandezza) e struttura (forma) più adeguata del poro;
• studiato il funzionamento elettronico del nano-poro in fase di traslocazione degli amminoacidi attraverso esso. In particolare ci si è concentrati sul calcolo della conduttività trasversale attraverso la metodologia della Non-Equilibrium Green Function (NEGF) e l'approccio Landauer-Buttiker
La ricerca è stata articolata in due fasi:
I Fase: Design del nano-poro di grafene
Nonostante diversi nano-pori siano già studiati con tecniche sperimentali, l’approccio teorico-modellistico basato su simulazioni molecolari atomistiche della struttura del nano-poro ha reso possibile avere una rigorosa caratterizzazione fisica e chimica del sistema; questa caratterizzazione è diventata la base per il successivo processo di ottimizzazione del dispositivo (passando da un nano-poro a un nano-gap). Dal punto di vista teorico-computazionale, si è confrontato il comportamento, strutturale del passaggio all’interno del sensore di diversi amminoacidi e si è progettato un nano-gap adatto alla valutazione degli effetti di traslocazione.
II Fase: Caratterizzazione del segnale
Si è studiata la variazione del “segnale” ottenuto, per caratterizzarlo al meglio e abbassare il rapporto segnale rumore. Attraverso varie analisi di post-processing si è andata a vedere la corrente elettronica elastica ed anelastica e si è aggiunta l’analisi della corrente ionica con simulazioni di dinamica molecolare classica
Models of fluidized granular materials: examples of non-equilibrium stationary states
No full textWe review some models of granular materials fluidized by means of external forces, such as random homogeneous forcing with damping, vibrating plates, flow in an inclined channel and flow in a double well potential. All these systems show the presence of density correlations and non-Gaussian velocity distributions. These models are useful in understanding the role of a kinetically defined 'temperature' (in this case the so-called granular temperature) in a nonequilibrium stationary state. In the homogeneously randomly driven gas the granular temperature is different from that of the driving bath. Moreover, two different granular materials mixed together may stay in a stationary state with different temperatures. At the same time, the granular temperature determines (as in equilibrium systems) the escape time in a double well potential
Role of denaturation in Maltose Binding Protein translocation dynamics
No full textWe present a computational study on the driven transport of the Maltose Binding Protein (MBP) across nanochannels in the framework of coarse-grained modeling. The work is motivated by recent experiments on voltage-driven transport of MBP across nanopores exploring the influence of denaturation on translocation pathways. Our simplified approach allows a statistical mechanical interpretation of the process which may be convenient also to the experiments. Specifically, we identify and characterize short and long channel blockades, associated to the translocation of denaturated and folded MBP conformations, respectively. We show that long blockades are related to long stall events where MBP undergoes specific and reproducible structural rearrangements. To clarify the origin of the stalls, the stick-and-slip translocation is compared to mechanical unfolding pathways obtained via steered molecular dynamics. This comparison clearly shows the translocation pathway to significantly differ from free-space unfolding dynamics and strongly suggests that stalling events are preferentially determined by the MBP regions with higher density of long-range native interactions. This result might constitute a possible criterion to predict a priori some statistical features of protein translocation from the structural analysis. © 2012 American Chemical Society
Theory of thermostatted inhomogeneous granular fluids: a self-consistent density functional description
No full textThe authors present a study of the nonequilibrium statistical properties of a one dimensional hard-rod fluid dissipating energy via inelastic collisions and subject to the action of a Gaussian heat bath, simulating an external driving mechanism. They show that the description of the fluid based on the one-particle phase-space reduced distribution function, in principle necessary because of the presence of velocity dependent collisional dissipation, can be contracted to a simpler description in configurational space. Indeed, by means of a multiple-time-scale method the authors derive a self-consistent governing equation for the particle density distribution function. This equation is similar to the dynamic density functional equation employed in the study of colloids, but contains additional terms taking into account the inelastic nature of the fluid. Such terms cannot be derived from a Liapunov generating functional and contribute not only to the relaxational properties, but also to the nonequilibrium steady state properties. A validation of the theory against molecular dynamics simulations is presented in a series of cases, and good agreement is found
A Statistical Model of translocation of Structured Polypeptide Chains through Nanopores
No full textThe translocation process of a globular protein (ubiquitin) across a cylindrical nanopore is studied via molecular dynamics simulations. The ubiquitin is described by a native-centric model on a CR carbon backbone to investigate the influence of protein-like structural properties on the translocation mechanism. A thermodynamical and kinetic characterization of the process is obtained by studying the statistics of blockage times, the mobility, and the translocation probability as a function of the pulling force F acting in the pore. The transport dynamics occurs when the force exceeds a threshold Fc depending on a free-energy barrier that ubiquitin has to overcome in order to slide along the channel. Such a barrier results from competition of the unfolding energy and the entropy associated with the confinement effects of the pore. We implement appropriate umbrella sampling simulations to compute the free-energy profile as a function of the position of the ubiquitin center of mass inside of the channel (reaction coordinate). This free energy is then used to construct a phenomenological drift-diffusion model in the reaction coordinate which explains and reproduces the behavior of the observables during the translocation
BEYOND THE DYNAMIC DENSITY FUNCTIONAL THEORY: THE ROLE OF INERTIA.
No full textWe discuss the recent attempts to generalize dynamical density functional (DDF) theory to situations where the momentum and energy transport, not necessarily associated with mass diffusion, play a role. We consider an assembly of particles described by inertial dynamics and subjected to the influence of a heat-bath. By means of a time multiple timescale analysis we derive the evolution equation for the noise-averaged density field. Remarkably, for large values of the friction parameter and/or the mass of the particles we obtain the same governing equation of DDF, and in addition we are able to compute higher-order corrections
Fluid-like behavior of a one-dimensional granular gas
No full textWe study the properties of a one-dimensional ~1D! granular gas consisting of N hard rods on a line
of length L ~with periodic boundary conditions!. The particles collide inelastically and are fluidized
by a heat bath at temperature Tb
and viscosity g. The analysis is supported by molecular dynamics
simulations. The average properties of the system are first discussed, focusing on the relations
between granular temperature Tg5m^v
2
&, kinetic pressure, and density r5N/L. Thereafter, we
consider the fluctuations around the average behavior obtaining a slightly non-Gaussian behavior of
the velocity distributions and a spatially correlated velocity field; the density field displays
clustering: this is reflected in the structure factor which has a peak in the k;0 region suggesting an
analogy between inelastic hard core interactions and an effective attractive potential. Finally, we
study the transport properties, showing the typical subdiffusive behavior of 1D stochastically driven
systems, i.e., ^ux(t)2x( 0 )u
2
&;D t
1/2
, where D for the inelastic fluid is larger than the elastic case.
This is directly related to the peak of the structure factor at small wave vectors
Thermally induced directed currents in hard rod systems
No full textWe study the non equilibrium statistical proper- ties of a one dimensional hard-rod fluid undergoing collisions and subject to a spatially non uniform Gaussian heat-bath and periodic potential. The system is able to sustain finite currents when the spatially inhomogeneous heat-bath and the periodic potential profile display an appropriate relative phase shift, φ. By comparison with the collisionless limit, we determine the conditions for the most efficient transport among inelastic, elastic and non interacting rods. We show that the situation is complex as, depending on shape of the temperature profile, the current of one system may outperform the others
From the Law of Large Numbers to Large Deviation Theory in Statistical Physics: An IntroductionLarge Deviations in Physics
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