Simulações de Monte Carlo de polímeros semiflexíveis

Abstract

A compreensão das propriedades mecânicas de moléculas de DNA tornou-se importante devido a possibilidade de acessar informações sobre como drogas agem quando utilizadas no tratamento de doenças como câncer. É possível estudar a molécula de DNA em detalhe utilizando modelos com todos os átomos, entretanto, tal abordagem pode ser inapropriada para obter informações em escalas de tempo e comprimento relevantes do ponto de vista experimental. De maneira alternativa, modelos simplificados são utilizados para superar tais restrições abrindo mão de alguns detalhes de modo que seja possível estudar cadeias maiores. Tem sido mostrado que modelos simplificados reproduzem resultados em boa concordância com aqueles obtidos experimentalmente, o que coloca esta abordagem como uma poderosa ferramenta para estudar polímeros semiflexíveis (tais como a molécula de DNA). Neste trabalho foi desenvolvido um modelo simplificado para cadeias poliméricas que possuem tanto interação de curto alcance, para manter os primeiros vizinhos conectados, como um termo referente à sua semiflexibilidade intrínseca. Determinamos a parametrização do modelo com base em um trabalho no qual os parâmetros foram obtidos a partir de simulações de um modelo atomístico. Os resultados do nosso modelo foram comparados com os modelos teóricos de polímeros semiflexíveis de Kratky-Porod e o “Worm-Like Chain”. Motivados pela concordância com ambos os modelos teóricos, estudamos o comportamento do sistema quando uma força externa é aplicada a cadeia polimérica simulando experimentos de estiramento onde curvas de força e extensão são obtidas.

The understanding of mechanical properties of DNA molecules became important due to its potential to access informations about how drugs act when used in treatment of diseases like cancer. One can study the DNA molecule in detail using all-atoms models, however, such approach might be inappropriate to get information in the experimentally relevant time and length scales. On the other hand, coarse-grained models are used to overcome such restrictions giving up some details so it becomes possible to study longer chains. It has been shown that coarse-grained models reproduce results in good agreement with those got experimentally, asserting this approach as a powerful tool to study the semiflexible chains (such as DNA molecule). In this work we develop a coarse-grained model of polymer chains containing a short range interaction, that keeps adjacent monomers together, as well as an energy term regarding to its intrinsic semiflexibility. We determined the model’s parametrization based on a work where the parameters were computed from atomistic model simulations. Our results were compared with the Kratky-Porod and the Worm-Like Chain models. Motivated by the agreement with those models, we studied the system’s behavior under an applied external force to the polymer chain simulating the pulling experiments from which the force-extension curves are obteined.