Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/4927
Title: Μελέτη των θερμικών ανοιγμάτων της διπλής έλικας του DNA με προσομοιώσεις Monte Carlo
Authors: Hawke, Laurence George Δημοσθένης
Issue Date: 2012-01-12
Keywords: Θερμικά ανοίγματα
Προσομοιώσεις
Keywords (translated): DNA
Thermal openings
Monte Carlo
Simulations
Abstract: Η παρούσα εργασία μελετά τα θερμικά ανοίγματα της διπλής έλικας του βιοπολυμερούς DNA χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις Monte Carlo σε θερμοκρασία 310 K. Οι υπολογισμοί βασίζονται στο φαινομενολογικό μοντέλο των Peyrand, Bishop και Dauxois καθώς και στον αλγόριθμο των Metropolis et al. Το πρώτο κεφάλαιο της εργασίας αφιερώνεται σε γενικές πληροφορίες γύρω από την δομή και τις λειτουργίες του γεννετικού υλικού. Επιπλέον περιέχει πληροφορίες γύρω από την μεταγραφή του DNA στα προκαρυωτικά κύτταρα. Επειδή σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση της συσχέτισης μεταξύ μεγάλων θερμικών ανοιγμάτων και θέσεων του βακτηριακού DNA που εμφανίζουν βιολογική λειτουργία (σημεία πρόσδεσης της RNA-πολυμεράσης και διαφόρων βοηθητικών μεταγραφικών παραγόντων) σε διάφορους υποκινητές οπερονίων του βακτηρίου της E.coli, γίνεται μια πιο λεπτομερής συζήτηση για τον τρόπο με τον οποίο τα οπερόνια αυτά επιτυγχάνουν τον έλεγχο της εκφρασής τους. Το δεύτερο κεφάλαιο αναφέρεται στο θεωρητικό υπόβαθρο της εργασίας. Γίνεται μια εκτεταμένη συζήτηση γύρω από τις προσομοιώσεις Monte Carlo και πιο συγκεκριμένα του κριτηρίου των Metropolis et al. Στο ίδιο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση του μοντέλου των Peyrand, Bishop και Dauxois. Στο μοντέλο αυτό η δυναμική ενέργεια του συστήματος αποτελείται από δυο όρους. Ο ένας αναφέρεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ των βάσεων ενός ζεύγους βάσης, ενώ ο άλλος στην αλληλεπίδραση μεταξύ των γειτονικών ζευγών βάσεων εξαιτίας της επικάλυψης των π μοριακών τροχιακών κάθε ζεύγους. Το μοντέλο επικεντρώνεται στον πιο προφανή βαθμό ελευθερίας του συστήματος: τη θερμικά ευαίσθητη (εξαιτίας των δεσμών υδρογόνου) απομάκρυνση μεταξύ των βάσεων ενός ζεύγους βάσης. Το τρίτο κεφάλαιο συγκροτείται από τα αποτελέσματα των υπολογισμών και τον σχολιασμό τους. Αρχικά παρουσιάζονται αποτελέσματα για απλούστερα συστήματα ταλαντωτών που αποτελούν οριακές περιπτώσεις του μοντέλου που περιγράφει το πρόβλημα των ανοιγμάτων της διπλής έλικας του DNA, όπως τα συστήματα των μονοδιάστατων ασύνδετων και συνδεδεμένων αρμονικών ταλαντωτών και το μονοδιάστατο σύστημα ανεξάρτητων ταλαντωτών Morse. Ακόμη παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων σε τυχαίες αλληλουχίες DNA που δεν σχετίζονται με κανέναν υποκινητή. Το κύριο μέρος του κεφαλαίου αυτού αφιερώνεται στην παράθεση και στον σχολιασμό των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων για τους υποκινητές των τεσσάρων οπερονίων του βακτηρίου E.coli που εξετάστηκαν: της λακτόζης, της τρυπτοφάνης, της γαλακτόζης και της πρωτείνης recA. Επίσης εξετάζονται και οι υποκινητές των γονιδίων AdMLP και AAV P5 αδενοιών. Στο τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας αυτής παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που εξήχθησαν.
Abstract (translated): This essay concentrates on studying thermal openings of biopolymer DNA using Monte Carlo simulations based on a microscopic model proposed by Peyrand, Bishop and Dauxois. The fist part of this work includes a brief discussion about the structure of the double helix of DNA and it’s main functions. Moreover in the same part of the assay the transcription regulation of the operons that are studied in our calculations is discussed. The used Peyrand, Bishop, and Dauxois model takes into account only the transverse stretching of the hydrogen bonds connecting complementary bases of the double stranded DNA. The potential energy of the model includes the potential energy between complementary bases and the stacking interactions between successive base-pairs. The Metropolis algorithm is used to produce equilibrium configurations of the double strand at temperature of 310 K. The Peyrand, Bishop and Dauxois model and the Metropolis method are described in the second chapter of this thesis. After equilibration, several other realizations (with numerous Monte Carlo steps, based on the Metropolis algorithm) are performed in order to measure the local probabilities for large openings and compare them with functional positions in specific promoter segments of biological interest (e.g. transcription starting sites, binding sites for regulatory proteins). The main goal of this project is to investigate several bacterial DNA gene promoter segments and to examine whether large openings occur with higher probability at biological functional sites. In particular we have examined the following operons: lac, tryptophane, gal, recA and the viral promoters AdMPL and AAV P5. Our results are compared with the binding sites of the RNA-polymerase and the regulatory proteins of each promoter. In addition, the results for the viral promoters have been compared with other theoretical results and experimental data. The presentation of our results takes place in the third chapter of the dissertation. Apart from the results that refer to the E.coli operons and the viral promoters, we also present calculations in simpler systems such as one dimensional chains of harmonic or Morse oscillators. Finally in the fourth chapter we present our conclusions.
Appears in Collections:Τμήμα Φυσικής (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Master HAWKE.pdf2.53 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons