German Title: Grob-körnige Molekulardynamik-Simulationen von semi-flexiblen (Bio-)Polymeren unter Kraft

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Abstract

Living organisms build upon semi-flexible biopolymers to confer structural integrity and functionality to cells. Semi-flexible (bio-)polymers assemble into hierarchical networks governed by an interplay between entropic and enthalpic effects. The assembled network features a non-linear response to mechanical load, like strain-stiffening and compression-softening. This non-linearity stems from the many-body nature at the microscale, which significantly influences the behaviour at the mesoscale. Due to the lack of non-generic scale-bridging models, the response of semi-flexible (bio-)polymer networks to mechanical stress is not yet fully understood. The aim of this thesis is thus to explore major molecular deformation mechanisms of semi-flexible (bio-)polymer networks by large-scale yet chemically informed molecular dynamics simulations. We developed coarse-grained models for two semi-flexible (bio-)polymers with similar persistence lengths, namely poly(para-phenylene ethynylene)s (PPEs) and collagen, using the Martini 3 force field to perform molecular dynamics simulations under force and to identify locations of high-force concentration with bonds being prone to rupture. Our Martini 3 models largely capture key structural, mechanical and thermodynamic observables from atomistic simulations and experiments from the literature, including interchain packing, mechanical bending stiffness and solvation properties. We show that the entanglement of PPEs in large-scale bulk assemblies increases with polymer chain length. We further observe that long-chain PPE networks under shear-flow form shear bands with extreme shear rates in the fast band, that is, where rupture forces are highest and bonds are likely to fail. Also, we built atomistic structural models for collagen microfibrils with a tuneable crosslink density and combined Martini 3 with Gō-like potentials to find an increase in microfibrillar stretching with decreasing number of crosslinks. Our Martini 3 collagen model is suited to capture the force-stretching of collagen microfibrils from all-atom simulations, performed in collaboration with the Riken institute in Kobe. The two newly developed coarse-grained models for the semi-flexible PPE and collagen complement experiments by predicting bond rupture events in the large-scale assembled polymer networks. They push the frontier of molecular dynamics simulations more close to realism, that is, to their actual biological or synthetic counterparts, and will in future allow probing micrometer sized systems of various structural configurations.

Translation of abstract (German)

Lebende Organismen bestehen aus semi-flexiblen Biopolymeren, die Zellen strukturelle Integrität und Funktionalität verleihen. Semi-flexible (Bio-)polymere assemblieren in hierarchischen Netzwerken, die durch das Zusammenspiel von entropischen und enthalpischen Effekten bestimmt werden. Solch assemblierte Netzwerke weisen bei mechanischer Beanspruchung ein nicht lineares Verhalten auf, wie zum Beispiel Versteifung bei Dehnung und Erweichung durch Kompression. Diese Nichtlinearität ist auf die Vielkörpernatur auf der Mikroskala zurückzuführen, die das Verhalten auf der Mesoskala maßgeblich beeinflusst. Aufgrund des Mangels an nicht-generischen skalen-übergreifenden Modellen ist das Verhalten semi-flexibler Polymernetzwerke bei mechanischer Last noch nicht vollständig verstanden. Demnach ist das Ziel dieser Arbeit, die wichtigsten molekularen Deformationsmechanismen in semi-flexiblen (Bio-)polymernetzwerken durch großskalige und chemisch informierte Molekulardynamik-Simulationen zu untersuchen. Wir haben grob-körnige Modelle für zwei semi-flexible Polymere mit ähnlichen Persistenzlängen, nämlich Poly(para-phenylene ethynylene)s (PPEs) und Kollagen, mittels des Martini 3 Kraftfeldes entwickelt, um Molekulardynamik-Simulationen unter Kraft durchzuführen und Bereiche mit hoher Kraftkonzentration und bruchgefährdeten Bindungen zu identifizieren. Unsere Martini 3 Modelle erfassen die strukturellen, mechanischen und thermodynamischen Observablen aus atomistischen Simulationen und Experimenten aus der Literatur weitestgehend, einschließlich der Packung zwischen den Ketten, der mechanischen Biegesteifigkeit sowie den Lösungseigenschaften. Wir zeigen, dass die Verschränkung von PPEs in großskaligen Netzwerken mit der Kettenlänge zunimmt. Zudem stellen wir fest, dass langkettigen PPEs unter Scherbeanspruchung Scherbänder mit extremen Scherraten im Schnellband ausbilden, in dem die Bruchkräfte am höchsten sind und Bindungen am ehesten versagen. Außerdem haben wir ein atomistisches Strukturmodell für die Kollagenmikrofibrille mit einstellbarer Crosslinkdichte erstellt und das Martini 3 Kraftfeld mit Gō-Potenzialen kombiniert, um eine Zunahme der Mikrofibrillenstreckung bei abnehmender Crosslinkdichte zu beobachten. Unser Martini 3 Kollagenmodel eignet sich dazu, die Mikrofibrillenstreckung von atomistischen Simulationen unter Kraft zu erfassen, die in Kollaboration mit dem Riken Institut in Kobe durchgeführt wurden. Die beiden hier entwickelten grob-körnige Modelle für das semi-flexible PPE und Kollagen ergänzen experimentelle Untersuchungen durch Vorhersage von Bindungsbrüchen in assemblierten Polymernetzwerken. Sie verschieben die Grenze von Molekulardynamik-Simulationen näher an die Realität, das heißt an ihre tatsächlichen biologischen oder synthetischen Pendants und werden in Zukunft die Untersuchung von mikrometergroßen Systemen mit verschiedenen Strukturkonfigurationen ermöglichen.