Authors:	Najafi, Saeed
Title:	The dynamics and statistics of knots in biopolymers
Online publication date:	26-Sep-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	Knots have a plethora of applications in our daily life from fishing to securing surgical sutures. Even within the microscopic scale, various polymeric systems have a great capability to become entangled and knotted. As a notable instance, knots and links can either appear spontaneously or by the aid of chaperones during entanglement in biopolymers such as DNA and proteins. Despite the fact that knotted proteins are rare, they feature different type of topologies. They span from simple trefoil knot, up to the most complex protein knot, the Stevedore. Knotting ability of polypeptide chain complicates the conundrum of protein folding, that already was a difficult problem by itself. The sequence of amino acids is the most remarkable feature of the polypeptide chains, that establishes a set of interactions and govern the protein to fold into the knotted native state. We tackle the puzzle of knotted protein folding by introducing a structure based coarse-grained model. We show that the nontrivial structure of the knotted protein can be encoded as a set of specific local interaction along the polypeptide chain that maximizes the folding probability. In contrast to proteins, knots in sufficiently long DNA and RNA filaments are frequent and diverse with a much smaller degree of sequence dependency. The presence of topological constraints in DNA and RNA strands give rise to a rich variety of structural and dynamical features. We show that the knotting probability of a dsDNA, can be increased by introducing, along its sequence, two adhesive regions. We show that entanglement pattern in links and knots, play a key role in conformational properties of chains. In particular, we demonstrate that a double knotted semi-flexible polymer chain under strong stretching possesses a free energy minimum when the two knots are intertwined, and that the free energy of the intertwined state is deepening when the relative chirality of the knots is opposite. Additionally, we show that the braid of DNA rings with identical/non-identical crossing pattern, enforces negative/positive and weak/strong correlation between the entangled rings. Knoten haben von der Fischerei bis zur Schließung chirurgischer Nähte eine Fülle von Anwendungen in unserem täglichen Leben. Auch auf mikroskopischer Skala haben verschiedene polymere Systeme die Fähigkeit sich zu verschränken und zu verknoten. Bemerkenswerterweise können Knoten und Verflechtungen entweder spontan oder durch die Hilfe von Chaperonen während der faltung in Biopolymeren wie DNA und Proteinen auftreten. Obwohl Knoten in Proteinen selten sind, haben Sie verschiedene Arten von Topologien. Diese reichen von einfachen Kleeblattknoten bis zu dem komplexesten Protein Knoten, dem Stevedore-Knoten. Die Fähigkeit der Polypeptide sich zu verknoten, erschwert das bereits komplexe Problem der Proteinfaltung zusätzlich. Die Aminoäuresequenz der Polypeptide ist das bedeutendste Merkmal, deren Wechselwirkungen das Falten in die verknoteten Grundzustände des Proteins leiten. Wir gehen das Problem der Knotenbildung durch die Einführung eines strukturbasierenden und grobkörnigen Modells an. Wir zeigen, dass eine nicht triviale Struktur des verknotenden Proteins als eine Reihe spezifischer lokaler Wechselwirkung entlang der Kette kodiert werden kann, um die Faltung zu maximieren. Im Gegensatz zu Proteinen sind Knoten in hinreichend langen DNA und RNA-Filamenten häufiger, vielfältiger, und mit einem viel geringeren Grad von der Sequenz abhängig. Das Vorhandensein von topologischen Randbedingungen in DNA und RNA-Stränge führt zu einer Fülle von strukturellen und dynamischen Merkmalen. Wir zeigen, dass dieWahrscheinlichkeit zur Knotenbildung von dsDNA durch die Einführung von zwei haftenden Regionen erhöht werden kann. Zudem zeigen wir, dass Kreuzungsmuster in Verflechtungen und Knoten eine Schlüsselrolle bei Konformationseigenschaften der Kette spielen. Insbesondere zeigen wir, dass eine doppelt verknotete semi-flexiblen Polymerkette unter starker Streckung sich in einem freien Energieminimum befindet, wenn die beiden Knoten miteinander verflochten sind, und dass die freie Energie des verflochtenen Zustandes niedriger ist, wenn die relative Chiralität der Knoten gegensätzlich ist. Darüber hinaus zeigen wir, dass das Geflecht von DNA-Ringen mit identischen/nicht identischen Kreuzungsmustern eine negative/positive und schwach/starke Korrelation zwischen den verstrickten Ringen erzwingt.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1717
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000015187
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xvii, 143 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen