Responsabile locale: Franco Bagnoli

Titolo locale del progetto: Dynamics of biopolymers: simulations and experiments on energy landscapes and stretching.

(Titolo del progetto nazionale: Statics and dynamics of topologically constrained polymers (A. Stella, Padova))

Importo del cofinanziamento richiesto: 40000 E

INFN:

Esperimento di riferimento: FB11

Importo del cofinanziamento richiesto: 4000 E

Dipartimento a cui e destinato il traferimento fondi: Dipartimento di energetica.

Breve descrizione:

L'iniziativa locale si articola in vari punti, tutti attualmente presenti in FB11: simulazioni dinamiche sul folding di proteine, caratterizzazione dinamica del panorama energetico (Livi, Guardiani). Esperimenti di tiraggio di proteine con microscopio a forza atomica (Vassalli). Modelli semplificati del tiraggio (Bagnoli, Fanelli, Guardiani). Esperimenti/simulazioni meccaniche di polimeri vibrati (tiraggio, nodi e traslocazione) e modelli relativi (Bagnoli, Vassalli, Fanelli).

Descrizione (per la parte tiraggio/vibrazione):

Il microscopio a forza atomica (AFM) permette la manipolazione diretta di tessuti biologici, in particolare permette di agganciare biopolimeri e sottoporli a stress meccanico. In questa maniera si possono caratterizzare in maniera estremamente dettagliata i meccanismi di folding e unfolding di proteine o dna.

M. Rief, M. Gautel, F. Oesterhelt, J. M. Fernandez, H. E. Gaub SCIENCE, 276 (1109).

Tuttavia, non è chiaro fino a che punto si possa applicare le teniche usuali di meccanica statistica di equilibrio in questi casi, dato che il sistema è di taglia mesoscopica e comunque è sottoposto a un flusso di energia (lo stress che aumenta nel tempo). E d'altra parte, i modelli dinamici (sviluppati nel nostro gruppo) sono solo indirettamente paragonabili agli esperimenti con AFM (in fase si attuazione) a causa delle loro dimensioni microscopiche.

Recentemente, molta attenzione è stata dedidata ad esperimenti con mezzi granulari vibrati. Con le dovute attenzioni si riesce a riprodurre comportamenti idrodinamici, come le celle di convezione

J.A.C. Gallas, H.J. Herrmann & S. Sokolowski, PRL, 69, 1371 (1992)

o le onde superficiali

P. Umbanhower, F. Melo & H. Swinney, Nature, 382, 793 (1996)

I mezzi granulari sono argomenti interessanti di per sé, ed hanno anche notevoli applicazioni in campo ingegneristico e ambientale, come per esempio la formazione di archi o le valanghe

H. M. Jaeger and S. Nagel, Science 255, 1523 (1992).

H. M. Jaeger, J. B. Knight, C. h. Liu, and S. R. Nagel, MRS Bulletin 5, 25 (1994).

Dynamics of Freely Cooling Granular Gases X. Nie, E. Ben-Naim, and S.Y. Chen Phys. Rev. Lett. 89, 204301 (2002)

In particolare siamo interessati a modellizzare il comportamenti di polimeri per mezzo di esperimenti di vibrazione

Spontaneous spirals in vibrated granular chains R.E. Ecke, Z.A. Daya, M.K. Rivera, and E. Ben-Naim MRS Symp. Proceed. 759, 129 (2003).

Entropic Tightening of Vibrated Chains M. B. Hastings, Z. A. Daya, E. Ben-Naim, and R.E. Ecke, Phys. Rev. E 66, 025102 (2002)

Knots and Random Walks in Vibrated Granular Chains E. Ben-Naim, Z.A. Daya, P. Vorobieff, and R.E. Ecke, Phys. Rev. Lett. 86, 1414 (2001)

Individual Entanglements in a Simulated Polymer Melt E. Ben-Naim, G.S. Grest, T.A. Witten, A.R.C. Baljon Phys. Rev. E 53, 1816 (1996)

e gli argomenti che ci interessano sono

- caratteristica forza-allungamento di polimeri meccanici vibrati (esperimento analogo al tiraggio di proteine) - traslocazione attraverso canali - nodi su polimeri - folding di polimeri meccanici con interazioni magnetiche tra monomeri

Questi esperimenti saranno accompagnati da simulazioni computazionali e consentiranno di sviluppare delle tecniche di imaging, particle velocimetry e modellizzazione utili anche in campo ingegneristico/ambientale

Il supporto sperimentale viene dal laboratorio di biofotonica dell'ex-inoa (ora Istituto sui Sistemi Complessi - ISC CNR) in particolare da Bruno Tiribilli e Massimo Vassalli.

links

http://www.ica1.uni-stuttgart.de/Recent_publications/Papers/lui1/node1.html

http://cnls.lanl.gov/~ebn/pubs/theme.html/stationary/stationary.pdf

-- FrancoBagnoli - 16 Mar 2005