Effect of the thermostat in the molecular dynamics simulation on the folding of the model protein chignolin

Molecular dynamics simulations of the model protein chignolin with explicit solvent were carried out, in order to analyze the influence of the Berendsen thermostat on the evolution and folding of the peptide. The dependence of the peptide behavior on temperature was tested with the commonly employed thermostat scheme consisting of one thermostat for the protein and another for the solvent. The thermostat coupling time of the protein was increased to infinity, when the protein is not in direct contact with the thermal bath, a situation known as minimally invasive thermostat. In agreement with other works, it was observed that only in the last situation the instantaneous temperature of the model protein obeys a canonical distribution. As for the folding studies, it was shown that, in the applications of the commonly utilized thermostat schemes, the systems are trapped in local minima regions from which it has difficulty escaping. With the minimally invasive thermostat the time that the protein needs to fold was reduced by two to three times. These results show that the obstacles to the evolution of the extended peptide to the folded structure can be overcome when the temperature of the peptide is not directly controlled.

Molecular Dynamics Investigations of PRODAN in a DLPC Bilayer

Molecular dynamics computer simulations have been performed to identify preferred positions of the fluorescent probe PRODAN in a fully hydrated DLPC bilayer in the fluid phase. In addition to the intramolecular charge-transfer first vertical excited state, we considered different charge distributions for the electronic ground state of the PRODAN molecule by distinct atomic charge models corresponding to the probe molecule in vacuum as well as polarized in a weak and a strong dielectric solvent (cyclohexane and water). Independent on the charge distribution model of PRODAN, we observed a preferential orientation of this molecule in the bilayer with the dimethylamino group pointing toward the membrane's center and the carbonyl oxygen toward the membrane's interface. However, changing the charge distribution model of PRODAN, independent of its initial position in the equilibrated DLPC membrane, we observed different preferential positions. For the ground state representation without polarization and the in-cyclohexane polarization, the probe maintains its position close to the membrane's center. Considering the in-water polarization model, the probe approaches more of the polar headgroup region of the bilayer, with a strong structural correlation with the choline group, exposing its oxygen atom to water molecules. PRODAN's representation of the first vertical excited state with the in-water polarization also approaches the polar region of the membrane with the oxygen atom exposed to the bilayer's hydration shell. However, this model presents a stronger structural correlation with the phosphate groups than the ground state. Therefore, we conclude that the orientation of the PRODAN molecule inside the DLPC membrane is well-defined, but its position is very sensitive to the effect of the medium polarization included here by different models for the atomic charge distribution of the probe.

Characterization of suramin binding sites on the human group IIA secreted phospholipase A(2) by site-directed mutagenesis and molecular dynamics simulation

Suramin is a polysulphonated naphthylurea with inhibitory activity against the human secreted group IIA phospholipase A(2) (hsPLA2GIIA), and we have investigated suramin binding to recombinant hsPLA2GIIA using site-directed mutagenesis and molecular dynamics (MD) simulations. The changes in suramin binding affinity of 13 cationic residue mutants of the hsPLA2GIIA was strongly correlated with alterations in the inhibition of membrane damaging activity of the protein. Suramin binding to hsPLA2GIIA was also studied by MD simulations, which demonstrated that altered intermolecular potential energy of the suramin/mutant complexes was a reliable indicator of affinity change. Although residues in the C-terminal region play a major role in the stabilization of the hsPLA2GIIA/suramin complex, attractive and repulsive hydrophobic and electrostatic interactions with residues throughout the protein together with the adoption of a bent suramin conformation, all contribute to the stability of the complex. Analysis of the h5PLA2GIIA/suramin interactions allows the prediction of the properties of suramin analogues with improved binding and higher affinities which may be candidates for novel phospholipase A(2) inhibitors. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Applying many-body expansion aiming to make ab in initio molecular dynamics more efficient

In this present work we present a methodology that aims to apply the many-body expansion to decrease the computational cost of ab initio molecular dynamics, keeping acceptable accuracy on the results. We implemented this methodology in a program which we called ManBo. In the many-body expansion approach, we partitioned the total energy E of the system in contributions of one body, two bodies, three bodies, etc., until the contribution of the Nth body [1-3]: E = E1 + E2 + E3 + …EN. The E1 term is the sum of the internal energy of the molecules; the term E2 is the energy due to interaction between all pairs of molecules; E3 is the energy due to interaction between all trios of molecules; and so on. In Manbo we chose to truncate the expansion in the contribution of two or three bodies, both for the calculation of the energy and for the calculation of the atomic forces. In order to partially include the many-body interactions neglected when we truncate the expansion, we can include an electrostatic embedding in the electronic structure calculations, instead of considering the monomers, pairs and trios as isolated molecules in space. In simulations we made we chose to simulate water molecules, and use the Gaussian 09 as external program to calculate the atomic forces and energy of the system, as well as reference program for analyzing the accuracy of the results obtained with the ManBo. The results show that the use of the many-body expansion seems to be an interesting approach for reducing the still prohibitive computational cost of ab initio molecular dynamics. The errors introduced on atomic forces in applying such methodology are very small. The inclusion of an embedding electrostatic seems to be a good solution for improving the results with only a small increase in simulation time. As we increase the level of calculation, the simulation time of ManBo tends to largely decrease in relation to a conventional BOMD simulation of Gaussian, due to better scalability of the methodology presented. References [1] E. E. Dahlke and D. G. Truhlar; J. Chem. Theory Comput., 3, 46 (2007). [2] E. E. Dahlke and D. G. Truhlar; J. Chem. Theory Comput., 4, 1 (2008). [3] R. Rivelino, P. Chaudhuri and S. Canuto; J. Chem. Phys., 118, 10593 (2003).

Molecular dynamics of poly(Ethylene Glycol) intercalated in clay, studied using 13C solid-state NMR

In this study, Cross-Polarization Magic-angle Spinning CP/MAS, 2D Exchange, Centerband-Only Detection of Exchange (CODEX), and Separated-Local-Field (SLF) NMR experiments were used to study the molecular dynamics of poly(ethylene glycol) (PEG) inside Hectorite/PEG intercalation compounds in both single- and double-layer configurations. The results revealed that the overall amplitude of the motions of the PEG chain in the single-layer configuration is considerably smaller than that observed for the double-layer intercalation compound. This result indicates that the effect of having the polymer chain interacting with both clay platelets is to produce a substantial decrease in the motional amplitudes of those chains. The presence of these dynamically restricted segments might be explained by the presence of anchoring points between the clay platelets and the PEG oxygen atoms, which was induced by the Na+ cations. By comparing the PEG motional amplitudes of the double-layered nanocomposites composed of polymers with different molecular weights, a decrease in the motional amplitude for the smaller PEG chain was observed, which might also be understood using the presence of anchoring points.

Non-equilibrium molecular dynamics study of an amphiphilic model system

Diese Doktorarbeit untersucht das Verhalten von komplexenFluidenunter Scherung, insbesondere den Einfluss von Scherflüssenauf dieStrukturbildung.Dazu wird ein Modell dieser entworfen, welches imRahmen von Molekulardynamiksimulationen verwendet wird.Zunächst werden Gleichgewichtseigenschaften dieses Modellsuntersucht.Hierbei wird unter anderem die Lage desOrdnungs--Unordnungsübergangs von derisotropen zur lamellaren Phase der Dimere bestimmt.Der Einfluss von Scherflüssen auf diese lamellare Phase wirdnununtersucht und mit analytischen Theorien verglichen. Die Scherung einer parallelen lamellaren Phase ruft eineNeuausrichtung des Direktors in Flussrichtung hervor.Das verursacht eine Verminderung der Schichtdicke mitsteigender Scherrateund führt oberhalb eines Schwellwertes zu Ondulationen.Ein vergleichbares Verhalten wird auch in lamellarenSystemengefunden, an denen in Richtung des Direktors gezogen wird.Allerdings wird festgestellt, dass die Art der Bifurkationenin beidenFällen unterschiedlich ist.Unter Scherung wird ein Übergang von Lamellen parallelerAusrichtung zu senkrechter gefunden.Dabei wird beoachtet, dass die Scherspannung in senkrechterOrientierungniedriger als in der parallelen ist.Dies führt unter bestimmten Bedingungen zum Auftreten vonScherbändern, was auch in Simulationen beobachtet wird. Es ist gelungen mit einem einfachen Modell viele Apsekte desVerhalten vonkomplexen Fluiden wiederzugeben. Die Strukturbildung hängt offensichtlich nurbedingt von lokalen Eigenschaften der Moleküle ab.

A molecular dynamics study of the influence of chain branching on the properties of polymer systems

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluß von Kettenverzweigungen unterschiedlicher Topologien auf die statischen Eigenschaften von Polymeren. Diese Untersuchungen werden mit Hilfe von Monte-Carlo- und Molekular-Dynamik-Simulationen durchgeführt.Zunächst werden einige theoretische Konzepte und Modelle eingeführt, welche die Beschreibung von Polymerketten auf mesoskopischen Längenskalen gestatten. Es werden wichtige Bestimmungsgrößen eingeführt und erläutert, welche zur quantitativen Charakterisierung von Verzweigungsstrukturen bei Polymeren geeignet sind. Es wird ebenso auf die verwendeten Optimierungstechniken eingegangen, die bei der Implementierung des Computerprogrammes Verwendung fanden. Untersucht werden neben linearen Polymerketten unterschiedliche Topolgien -Sternpolymere mit variabler Armzahl, Übergang von Sternpolymeren zu linearen Polymeren, Ketten mit variabler Zahl von Seitenketten, reguläre Dendrimere und hyperverzweigte Strukturen - in Abhängigkeit von der Lösungsmittelqualität. Es wird zunächst eine gründliche Analyse des verwendeten Simulationsmodells an sehr langen linearen Einzelketten vorgenommen. Die Skalierungseigenschaften der linearen Ketten werden untersucht in dem gesamten Lösungsmittelbereich vom guten Lösungsmittel bis hin zu weitgehend kollabierten Ketten im schlechten Lösungsmittel. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist die Bestätigung der Korrekturen zum Skalenverhalten des hydrodynamischen Radius Rh. Dieses Ergebnis war möglich aufgrund der großen gewählten Kettenlängen und der hohen Qualität der erhaltenen Daten in dieser Arbeit, insbesondere bei den linearen ketten, und es steht im Widerspruch zu vielen bisherigen Simulations-Studien und experimentellen Arbeiten. Diese Korrekturen zum Skalenverhalten wurden nicht nur für die linearen Ketten, sondern auch für Sternpolymere mit unterchiedlicher Armzahl gezeigt. Für lineare Ketten wird der Einfluß von Polydispersität untersucht.Es wird gezeigt, daß eine eindeutige Abbildung von Längenskalen zwischen Simulationsmodell und Experiment nicht möglich ist, da die zu diesem Zweck verwendete dimensionslose Größe eine zu schwache Abhängigkeit von der Polymerisation der Ketten besitzt. Ein Vergleich von Simulationsdaten mit industriellem Low-Density-Polyäthylen(LDPE) zeigt, daß LDPE in Form von stark verzweigten Ketten vorliegt.Für reguläre Dendrimere konnte ein hochgradiges Zurückfalten der Arme in die innere Kernregion nachgewiesen werden.

Comparison of model potentials for molecular dynamics simulation of crystalline silica

Simulationen von SiO2 mit dem von van Beest, Kramer und vanSanten (BKS) entwickelten Paarpotenzial erzeugen vielezufriedenstellende Ergebnisse, aber auch charakteristischeSchwachstellen. In dieser Arbeit wird das BKS-Potenzial mitzwei kürzlich vorgeschlagenen Potenzialen verglichen, dieeffektiv Mehrteilchen-Wechselwirkungen beinhalten. Der ersteAnsatz erlaubt dazu fluktuierende Ladungen, der zweiteinduzierbare Polarisierungen auf den Sauerstoffatomen. Die untersuchten Schwachstellen des BKS Potenzialsbeinhalten das Verhältnis der zwei Gitterkonstanten a und cim Quarzübergang, das von BKS falsch beschrieben wird.Cristobalit und Tridymit erscheinen instabil mit BKS.Weiterhin zeigt die BKS-Zustandsdichte charakteristischeAbweichungen von der wahren Zustandsdichte. DerÜbergangsdruck für den Stishovit I-II Übergang wird deutlichüberschätzt. Das Fluktuierende-Ladungs-Modell verbesserteinige der genannten Punkte, reproduziert aber viele andereEigenschaften schlechter als BKS. DasFluktierende-Dipol-Modell dagegen behebt alle genanntenArtefakte. Zusätzlich wird der druckinduzierte Phasenübergang imalpha-Quarz untersucht. Alle Potentiale finden die selbeStruktur für Quarz II. Bei anschliessender Dekompressionerzeugt BKS eine weitere Phase, während die beiden anderenPotentiale wieder zum alpha-Quarz zurückkehren. Weiterhinwerden zwei Methoden entwickelt, um die piezoelektrischenKonstanten bei konstantem Druck zu bestimmen. Die Ergebnissegeben Hinweise auf eine möglicherweisenicht-elektrostatische Natur der Polarisierungen imFluktuierende-Dipole-Modell. Mit dieser Interpretation scheint das Fluktuierende-DipolPotential alle verfügbaren experimentellen Daten am bestenvon allen drei untersuchten Ansätzen zu reproduzieren.

Statistical Mechanics of Monomer-Dimer Models on Complete and Erdös-Rényi Graphs

Nella tesi sono trattate due famiglie di modelli meccanico statistici su vari grafi: i modelli di spin ferromagnetici (o di Ising) e i modelli di monomero-dimero. Il primo capitolo è dedicato principalmente allo studio del lavoro di Dembo e Montanari, in cui viene risolto il modello di Ising su grafi aleatori. Nel secondo capitolo vengono studiati i modelli di monomero-dimero, a partire dal lavoro di Heilemann e Lieb,con l'intento di dare contributi nuovi alla teoria. I principali temi trattati sono disuguaglianze di correlazione, soluzioni esatte su alcuni grafi ad albero e sul grafo completo, la concentrazione dell'energia libera intorno al proprio valor medio sul grafo aleatorio diluito di Erdös-Rényi.

Geometric and Combinatorial Aspects of NonEquilibrium Statistical Mechanics

Non-Equilibrium Statistical Mechanics is a broad subject. Grossly speaking, it deals with systems which have not yet relaxed to an equilibrium state, or else with systems which are in a steady non-equilibrium state, or with more general situations. They are characterized by external forcing and internal fluxes, resulting in a net production of entropy which quantifies dissipation and the extent by which, by the Second Law of Thermodynamics, time-reversal invariance is broken. In this thesis we discuss some of the mathematical structures involved with generic discrete-state-space non-equilibrium systems, that we depict with networks in all analogous to electrical networks. We define suitable observables and derive their linear regime relationships, we discuss a duality between external and internal observables that reverses the role of the system and of the environment, we show that network observables serve as constraints for a derivation of the minimum entropy production principle. We dwell on deep combinatorial aspects regarding linear response determinants, which are related to spanning tree polynomials in graph theory, and we give a geometrical interpretation of observables in terms of Wilson loops of a connection and gauge degrees of freedom. We specialize the formalism to continuous-time Markov chains, we give a physical interpretation for observables in terms of locally detailed balanced rates, we prove many variants of the fluctuation theorem, and show that a well-known expression for the entropy production due to Schnakenberg descends from considerations of gauge invariance, where the gauge symmetry is related to the freedom in the choice of a prior probability distribution. As an additional topic of geometrical flavor related to continuous-time Markov chains, we discuss the Fisher-Rao geometry of nonequilibrium decay modes, showing that the Fisher matrix contains information about many aspects of non-equilibrium behavior, including non-equilibrium phase transitions and superposition of modes. We establish a sort of statistical equivalence principle and discuss the behavior of the Fisher matrix under time-reversal. To conclude, we propose that geometry and combinatorics might greatly increase our understanding of nonequilibrium phenomena.

Polymer-liquid crystal interface: a molecular dynamics study

Liquid crystals (LCs) are an interesting class of soft condensed matter systems characterized by an unusual combination of fluidity and long-range order, mainly known for their applications in displays (LCDs). However, the interest in LC continues to grow pushed by their application in new technologies in medicine, optical imaging, micro and nano technologies etc. In LCDs uniaxial alignment of LCs is mainly achieved by a rubbing process. During this treatment, the surfaces of polymer coated display substrates are rubbed in one direction by a rotating cylinder covered with a rubbing cloth. Basically, LC alignment involves two possible aligning directions: uniaxial planar (homogeneous) and vertical (homeotropic) to the display substrate. An interesting unresolved question concerning LCs regards the origin of their alignment on rubbed surfaces, and in particular on the polymeric ones used in the display industry. Most studies have shown that LCs on the surface of the rubbed polymer film layer are lying parallel to the rubbing direction. In these systems, micrometric grooves are generated on the film surface along the rubbing direction and also the polymer chains are stretched in this direction. Both the parallel aligned microgrooves and the polymer chains at the film surface may play a role in the LC alignment and it is not easy to quantify the effect of each contribution. The work described in this thesis is an attempt to find new microscopic evidences on the origin of LC alignment on polymeric surfaces through molecular dynamics (MD) simulations, which allow the investigation of the phenomenon with atomic detail. The importance of the arrangement of the polymeric chains in LCs alignment was studied by performing MD simulations of a thin film of a typical nematic LC, 4-cyano-4’-pentylbiphenyl (5CB), in contact with two different polymers: poly(methyl methacrylate)(PMMA) and polystyrene (PS). At least four factors are believed to influence the LC alignment: 1. the interactions of LCs with the backbone vinyl chains; 2. the interactions of LCs with the oriented side groups; 3. the anisotropic interactions of LCs with nanometric grooves; 4. the presence of static surface charges. Here we exclude the effect of microgrooves and of static surface charges from our virtual experiment, by using flat and neutral polymer surfaces, with the aim of isolating the chemical driving factors influencing the alignment of LC phases on polymeric surfaces.

Molecular dynamics simulations of sheared brush-like systems

Mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen untersuchen wir bürstenartige Systeme unter guten Lösungsmittelbedingungen. Diese Systeme sind, dank ihren vielfältigen Beschaffenheiten, die von Molekularparametern und äußeren Bedingungen abhängig sind, wichtig für viele industrielle Anwendungen. Man vermutet, dass die Polymerbürsten eine entscheidende Rolle in der Natur wegen ihrer einzigartigen Gleiteigenschaften spielen. Ein vergröbertes Modell wird verwendet, um die strukturellen und dynamischen Eigenschaften zweier hochkomprimierter Polymerbürsten, die eine niedrige Reibung aufweisen, zu untersuchen. Allerdings sind die Lubrikationseigenschaften dieser Systeme, die in vielen biologischen Systemen vorhanden sind, beeinflußt. Wir untersuchen so-genannte "weiche Kolloide", die zwischen den beiden Polymerbürsten eingebettet sind, und wie diese Makroobjekte auf die Polymerbürsten wirken.rnrnNicht-Gleichgewichts-Molekulardynamik-Simulationen werden durchgeführt, in denen die hydrodynamischen Wechselwirkungen durch die Anwendung des DPD-Thermostaten mit expliziten Lösungsmittelmolekülen berücksichtigt werden. Wir zeigen, dass die Kenntnis der Gleichgewichtseigenschaften des Systems erlaubt, dynamische Nichtgleichgewichtsigenschaften der Doppelschicht vorherzusagen.rnrnWir untersuchen, wie die effektive Wechselwirkung zwischen kolloidalen Einschlüßen durch die Anwesenheit der Bürsten (in Abhängigkeit der Weichheit der Kolloide und der Pfropfdichte der Bürsten) beeinflußt wird. Als nächsten Schritt untersuchen wir die rheologische Antwort von solchen komplexen Doppelschichten auf Scherung. Wir entwickeln eine Skalen-Theorie, die die Abhängigkeit der makroskopischen Transporteigenschaften und der lateralen Ausdehnung der verankerten Ketten von der Weissenberg Zahl oberhalb des Bereichs, in dem die lineare Antwort-Theorie gilt, voraussagt. Die Vorhersagen der Theorie stimmen gut mit unseren und früheren numerischen Ergebnissen und neuen Experimenten überein. Unsere Theorie bietet die Möglichkeit, die Relaxationszeit der Doppelschicht zu berechnen. Wenn diese Zeit mit einer charakteristischen Längenskala kombiniert wird, kann auch das ''transiente'' (nicht-stationäre) Verhalten beschrieben werden.rnrnrnWir untersuchen die Antwort des Drucktensors und die Deformation der Bürsten während der Scherinvertierung für grosse Weissenberg Zahlen. Wir entwickeln eine Vorhersage für die charakteristische Zeit, nach der das System wieder den stationären Zustand erreicht.rnrnrnElektrostatik spielt eine bedeutende Rolle in vielen biologischen Prozessen. Die Lubrikationseigenschaften der Polymerbürsten werden durch die Anwesenheit langreichweitiger Wechselwirkungen stark beeinflusst. Für unterschiedliche Stärken der elektrostatischen Wechselwirkungen untersuchen wir rheologische Eigenschaften der Doppelschicht und vergleichen mit neutralen Systemen. Wir studieren den kontinuierlichen Übergang der Systemeigenschaften von neutralen zu stark geladenen Bürsten durch Variation der Bjerrumlänge und der Ladungsdichte.

Statistical mechanics formalism and methods for the analysis of real networks

This thesis provides a thoroughly theoretical background in network theory and shows novel applications to real problems and data. In the first chapter a general introduction to network ensembles is given, and the relations with “standard” equilibrium statistical mechanics are described. Moreover, an entropy measure is considered to analyze statistical properties of the integrated PPI-signalling-mRNA expression networks in different cases. In the second chapter multilayer networks are introduced to evaluate and quantify the correlations between real interdependent networks. Multiplex networks describing citation-collaboration interactions and patterns in colorectal cancer are presented. The last chapter is completely dedicated to control theory and its relation with network theory. We characterise how the structural controllability of a network is affected by the fraction of low in-degree and low out-degree nodes. Finally, we present a novel approach to the controllability of multiplex networks