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Zwei grundlegende Fragen

Mittlerweile führen über 60 Gruppen auf der Welt Experimente mit Nanoporen durch. Interessanterweise blieben dabei bisher ganz grundlegende Fragen noch unbeantwortet. Wir haben uns in der Vergangenheit vor allem mit zwei dieser Fragen beschäftigt:

  • Gibt es Barrieren, die dem Transport von Biomolekülen, vor allem DNA entgegenwirken? Von welcher Natur sind sie und von welchen Parametern hängen sie genau ab?
  • Wie kommt die Modulation des Stroms durch ein DNA-Molekül zustande? Welche Effekte sind dabei wichtig?

Wir konnten mit unterschiedlichen Methoden der Computersimulation, vergröberten und atomaren Teilchensimulationen, auf beide Frage zufriedenstellende Antworten finden, die unter der Rubrik Ergebnisse zu finden sind.

Simulationentechnik

Typischerweise benötigt der DNA-Transport einige Millisekunden. Für Simulationen, die die Kräfte zwischen einzelnen Atomen berechnen, sind Millisekunden allerdings riesiger Zeitraum, weil ein Zeitschritt in der Simulation typischerweise eine Femtosekunde beträgt, also eine Milliarde mal kleiner ist. Zusätzlich benötigt man mindestens eine Million Atome, wodurch es unmöglich wird, den gesamten Prozess auf die Art und Weise zu simulieren. Unsere Strategie ist es deshalb, mit so wenig explizit simulierten Teilchen wie möglich auszukommen, und nur wenn uns sehr feine Details interessieren, mit atomarer Auflösung zu simulieren.

Wir benutzen meist ein radikal vereinfachtes Bild, das nur kugelförmige Ionen und einen geladenen Strang aus Kugeln und Federn kennt, die die DNS repräsentieren. Alle Wassermoleküle werden weggelassen und lediglich ihr Abschirmungseffekt für die elektrostatischen Wechselwirkungen, d.h. die dielektrische Konstante, wird berücksichtigt. Statt einer realistischen Membran benutzen wir eine strukturlose Wand. Damit kommen wir mit einigen Tausend Teilchen aus und können die notwendigen Zeitskalen erreichen. Eine von uns genutzte Möglichkeit, die Wirkung des Wassers teilweise zu rekonstruieren, bietet die Gitter Boltzmann-Methode. Dabei wird eine auf einem Gitter lebende Flüssigkeit an die Partikel gekoppelt und nimmt die Rolle von Wasser ein. Dies erlaubt es, die Reibung der Ionen untereinander, sowie mit der Pore und der DNS mit einzubeziehen wordurch unser Modell realistischer wird. Eine wichtige Frage ist natürlich, ob dies quantitativ korrekt ist. Deshalb führen wir Simulationen mit atomarer Auflösung durch, um dies zu verifizieren.

Simulationen mit atomarer Auflösung sind heutzutage kein Hexenwerk mehr. Mit frei verfügbarer Software und ein bisschen Geschick können realistische Modelle von Biomolekülen konstruiert werden. Die Herausforderung besteht allerdings darin, die dabei gewonnen Informationen richtig zu nutzen. Das reale System ist sehr viel größer als alles, was wir heutzutage im Computer darstellen können. Wir konzentrieren uns dann auf einzelne Details und versuchen unser vergröbertes Modell soweit abzuändern, dass diese richtig abgebildet sind.

Unser vergröbertes Modell für ein kurzes Stück DNS (dunkelgrün), die Pore (hellgrün), und die Ionen (blau und rot). DNS ist ein geladener Zylinder, die Pore besteht aus einer strukturlosen abstoßenden Wand, Ionen sind geladene Kugeln und das Wasser wird nur durch seine dielektrische Konstante berücksichtigt

Beispiel für eine Simulation mit atomarer Auflösung. Bei so feiner Auflösung müssen wir uns auf einen kleinen Bereich im Zentrum einer langen Pore konzentrieren, weil sonst die Simulationen nicht machbar sind.
Das Projekt in der Zukunft

In der Zukunft wollen wir daran anschließend die Komplexität der Fragestellungen deutlich erhöhen.

  • Wir wollen die Dynamik des Transportvorgangs genauer untersuchen, also wie sich die gefunden Barrieren etwa auf die Rate erfolgreicher Transportvorgänge auswirkt.
  • Unser vergröbertes DNS-Modell soll so weiterentwickelt werden, dass wir die mit atomaren Simulationen gewonnenen Effekte miteinbeziehen, und damit ein realistischeres Bild auch auf der vergröberten Skala erhalten.
  • Wir wollen Untersuchungen der Leitfähigkeit auf einzelsträngige DNS ausweiten. Dabei müssen wir einen Weg finden, mit der deutlich höheren Flexibilität umzugehen.
  • Für manche Anwendungen reicht der bisherige Grad der Vergröberung nicht aus. Daher soll ein auf einer Kontinuumsbeschreibung basierendes Modell genutzt werden und ein bestehender, sehr effizienter Löser so verbessert werden, dass damit Nanoporen untersucht werden können.
  • Mit diesem Löser sollen interessante nichtlineare Effekte, z.B. die Gleichrichtung von Strom und elektroosmotischen Fluss untersucht werden.
  • Außerdem wollen wir dieses Kontinuumsmodell direkt an eine atomare Beschreibung ankoppeln und herausfinden, ob dies realistische Eigenschaften produziert.

Mit den starken Partnern in diesem Sonderforschungsbereich hoffen wir auch weiterhin sehr interessante Einsichten über Nanoporen zu entwickeln. Die dabei gewonnen Erkenntnisse zur Simulationstechnik lassen sich auch auf viele andere Problemstellungen insbesondere der Physik von weicher und biologischer Materie übertragen.