Structural and elastic properties of DNA and chromatin

We investigate a chain consisting of two coupled worm-like chains withconstant distance between the strands. The effects due todouble-strandedness of the chain are studied. In a previous analyticalstudy of this system an intrinsic twist-stretch coupling and atendency of kinking is predicted. Even though a local twist structureis observed the predicted features are not recovered. A new model for DNA at the base-pair level is presented. Thebase-pairs are treated as flat rigid ellipsoids and thesugar-phosphate backbones are represented as stiff harmonic springs.The base-pair stacking interaction is modeled by a variant of theGay-Berne potential. It is shown by systematic coarse-graininghow the elastic constants of a worm-like chain are related to thelocal fluctuations of the base-pair step parameters. Even though a lotof microscopic details of the base-pair geometry is neglected themodel can be optimized to obtain a B-DNA conformation as ground stateand reasonable elastic properties. Moreover the model allows tosimulate much larger length scales than it is possible with atomisticsimulations due to the simplification of the force-field and inparticular due to the possibility of non-local Monte-Carlo moves. Asa first application the behavior under stretching is investigated. Inagreement with micromanipulation experiments on single DNA moleculesone observes a force-plateau in the force-extension curvescorresponding to an overstretching transition from B-DNA to aso-called S-DNA state. The model suggests a structure for S-DNA withhighly inclined base-pairs in order to enable at least partialbase-pair stacking. Finally a simple model for chromatin is introduced to study itsstructural and elastic properties. The underlying geometry of themodeled fiber is based on a crossed-linker model. The chromatosomesare treated as disk-like objects. Excluded volume and short rangenucleosomal interaction are taken into account by a variant of theGay-Berne potential. It is found that the bending rigidity and thestretching modulus of the fiber increase with more compact fibers. Fora reasonable parameterization of the fiber for physiologicalconditions and sufficiently high attraction between the nucleosomes aforce-extension curve is found similar to stretching experiments onsingle chromatin fibers. For very small stretching forces a kinkedfiber forming a loop is observed. If larger forces are applied theloop formation is stretched out and a decondensation of the fibertakes place.

Hypersonic elastic excitations in soft mesoscopic structures

This dissertation is devoted to the experimental exploration of the propagation of elastic waves in soft mesoscopic structures with submicrometer dimensions. A strong motivation of this work is the large technological relevance and the fundamental importance of the subject. Elastic waves are accompanied by time-dependent fluctuations of local stress and strain fields in the medium. As such, the propagation phase velocities are intimately related to the elastic moduli. Knowledge of the elastic wave propagation directly provides information about the mechanical properties of the probed mesoscopic structures, which are not readily accessible experimentally. On the other hand, elastic waves, when propagating in an inhomogeneous medium with spatial inhomogeneities comparable to their wavelength, exhibit rather rich behavior, including the appearance of novel physical phenomena, such as phononic bandgap formation. So far, the experimental work has been restricted to macroscopic structures, which limit wave propagation below the KHz range. It was anticipated that an experimental approach capable of probing the interplay of the wave propagation with the controlled mesoscopic structures would contribute to deeper insights into the fundamental problem of elastic wave propagation in inhomogeneous systems. The mesoscopic nature of the structures to be studied precludes the use of traditional methods, such as sound transmission, for the study of elastic wave propagation. In this work, an optical method utilizing the inelastic scattering of photons by GHz frequency thermally excited elastic waves, known as Brillouin light scattering spectroscopy (BLS), was employed. Two important classes of soft structures were investigated: thin films and colloidal crystals. For the former, the main interest was the effect of the one-dimensional (1D) confinement on the wave propagation due to the presence of the free-surface or interface of the layer and the utilization of these waves to extract relevant material parameters. For the second system, the primary interest was the interaction of the elastic wave and the strong scattering medium with local resonance units in a three-dimensional (3D) periodic arrangement.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Modeling and simulation of fibrinogen and its adsorption behavior

In this thesis different approaches for the modeling and simulation of the blood protein fibrinogen are presented. The approaches are meant to systematically connect the multiple time and length scales involved in the dynamics of fibrinogen in solution and at inorganic surfaces. The first part of the thesis will cover simulations of fibrinogen on an all atom level. Simulations of the fibrinogen protomer and dimer are performed in explicit solvent to characterize the dynamics of fibrinogen in solution. These simulations reveal an unexpectedly large and fast bending motion that is facilitated by molecular hinges located in the coiled-coil region of fibrinogen. This behavior is characterized by a bending and a dihedral angle and the distribution of these angles is measured. As a consequence of the atomistic detail of the simulations it is possible to illuminate small scale behavior in the binding pockets of fibrinogen that hints at a previously unknown allosteric effect. In a second step atomistic simulations of the fibrinogen protomer are performed at graphite and mica surfaces to investigate initial adsorption stages. These simulations highlight the different adsorption mechanisms at the hydrophobic graphite surface and the charged, hydrophilic mica surface. It is found that the initial adsorption happens in a preferred orientation on mica. Many effects of practical interest involve aggregates of many fibrinogen molecules. To investigate such systems, time and length scales need to be simulated that are not attainable in atomistic simulations. It is therefore necessary to develop lower resolution models of fibrinogen. This is done in the second part of the thesis. First a systematically coarse grained model is derived and parametrized based on the atomistic simulations of the first part. In this model the fibrinogen molecule is represented by 45 beads instead of nearly 31,000 atoms. The intra-molecular interactions of the beads are modeled as a heterogeneous elastic network while inter-molecular interactions are assumed to be a combination of electrostatic and van der Waals interaction. A method is presented that determines the charges assigned to beads by matching the electrostatic potential in the atomistic simulation. Lastly a phenomenological model is developed that represents fibrinogen by five beads connected by rigid rods with two hinges. This model only captures the large scale dynamics in the atomistic simulations but can shed light on experimental observations of fibrinogen conformations at inorganic surfaces.