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Anomalous Diffusion and Non-classical Reaction Kinetics in Crowded Fluids

Hellmann, Marcel

German Title: Anomale Diffusion und Reaktionskinetik in komplexen Flüssigkeiten

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Abstract

This thesis investigates the underlying mechanism and the effects of anomalous diffusion in crowded fluids by means of computer simulations. In order to elucidate the mechanism behind crowding-induced subdiffusion we discuss the average shape of tracer trajectories as a potential criterion that allows to reliably discriminate between frequently proposed models. Our simulations show that measurement errors inherent to single particle tracking generally impair the determination of the underlying random process from experimental data. We propose a particle-based model for the crowded cytoplasm that incorporates soft-core repulsion and weak attraction between globular proteins of various sizes. Under these prerequisites simulations reveal transient subdiffusion of proteins. On experimental time scales, however, diffusion is normal indicating that realistic, microscopic models of crowded fluids require further detail of the relevant interactions. In the second part of this thesis, the impact of subdiffusion on biochemical reactions is studied via mesoscopic, stochastic simulations. Due to their compact trajectories subdiffusive reactants get increasingly segregated over time. This results in anomalous kinetics that differs strongly from classical theories. Moreover, for a two-step reaction scheme relying on an intermediate dissociation-association event, subdiffusion can substantially improve the overall productivity because spatio-temporal correlations are exploited with high efficiency.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Mechanismen und den Auswirkungen von anomaler Diffusion in dichten Flüssigkeiten unter Einsatz von Computersimulationen. Um den zugrunde liegenden Mechnismus von Subdiffusion aufzuklären, betrachten wir die gemittelte Form aufgezeichneter Trajektorien als ein potentielles Kriterium, mit dem häufig diskutierte Modelle zuverlässig gegeneinander abgegrenzt werden können. Unsere Simulationen zeigen zudem, dass die Bestimmung dieses Mechanismus’ durch inhärente Messfehler der experimentellen Daten erschwert wird. Wir schlagen ein partikelbasiertes Modell für das Zytoplasma vor: Es vereint eine weiche Abstoßung und schwache Anziehung zwischen globulären Proteinen verschiedener Größe. Unter diesen Bedingungen zeigen Simulationen transiente Subdiffusion der Partikel, die auf experimentellen Zeitskalen jedoch in normale Diffusion übergeht. Realistischere Modelle müssen daher mehr Details über die beteiligten Wechselwirkungen berücksichtigen. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden mesoskopische, stochastische Simulationen eingesetzt, um die Auswirkungen von Subdiffusion auf biochemische Reaktionen zu untersuchen. Wegen ihrer kompakten Trajektorien segregieren subdiffusive Reaktanden mit der Zeit. Dies führt zu anomaler Kinetik, die stark von klassischen Theorien abweicht. Andererseits kann Subdiffusion die Produktivität eines mehrstufigen Prozesses deutlich erhöhen, wenn die reaktiven Partikel in einem Zwischenschritt dissozieren und erneut assoziieren müssen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Heermann, Prof. Dr. Dieter W.
Date of thesis defense: 1 June 2011
Date Deposited: 09 Jun 2011 10:44
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Service facilities > Bioquant
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Anomale Diffusion, Enzymkinetik, Reaktionskinetik, Monte-Carlo-Simulation, Computersimulation
Uncontrolled Keywords: anomalous diffusion , macromolecular crowding , anomalous reaction kinetics
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