Sejtbiológiai folyamatok vizsgálata statisztikus fizikai módszerekkel = Studies of biological processes of the cell using the methods of statistical physics

摘要

- Elméleti számítások és numerikus szimulációk segítségével megmagyaráztuk a DNS molekuláknak a sejtmag nanopórusain való áthaladásának mechanizmusát [1]. Kidolgoztunk egy olyan módszert, amely lehetővé teszi a polimerdinamikai szimulációk jelentős felgyorsítását a monomerek közötti kötések hosszának és hajlítási merevségének renormálásával. - Megmutattuk, hogy 2-dimenziós random potenciálban a "racsni effektus" (amely a molekuláris motorok működésének az alapja) nagyléptékű mintázatok kialakulásához vezet [6]. - Fehérjék adszorpciójára megalkottunk egy modellt, amely segítségével a zürichi ETH-ban végzett fehérjekicserélődéses kísérleteket értelmeztük [2]. A dinamikus erőspektroszkópia pontosabb elméleti leírását adtuk arra az esetre, amikor egy adhéziós kötés elszakítása során a rendszer több, egymást követő energiagáton megy keresztül [3]. - Optikai csipesz segítségével megmértük az erő-megnyúlás görbét membrán nanocsövek kialakulásakor. Azt tapasztaltuk, majd elméleti számításokkal is alátámasztottuk, hogy az erő nem-monoton módon változik, a maximuma lineárisan függ a húzási terület sugarától, és elsőrendű átalakulást mutat [5]. Kvantitatív leírását adtuk egy membrán veszikulumból kihúzott két nanocső összeolvadásának. Az eredmények új mérési módszert kínálnak a biológiai membránok rugalmas paramétereinek meghatározására [4]. Megmutattuk továbbá, hogy ha görbületre érzékeny fehérjék találhatók a membránban, akkor létezik egy kritikus fehérjekoncentráció, amely felett stabil nanocső nem jöhet létre, a membrán húzása során pedig újabb és újabb hólyagocskák válnak le [7]. | - With the help of theoretical calculations and numerical simulations we explained the mechanism of DNA translocation through the nanopores of the cell nucleus [1]. We also developed a method for speeding up the polymer dynamics simulations by renormalizing the bond length and the bending rigidity. - We showed that in 2-dimensional random potentials the "ratchet effect" (which is the basic mechanism of the operation of molecular motors) leads to the appearance of large-scale patterns [6]. - For protein adsorption we constructed a model, with which we could interpret the protein exchange experiments performed at the ETH Zürich [2]. We gave a refined theoretical description of the dynamic force spectroscopy in case the system overcomes several energy barriers during the rupture of an adhesion bond [3]. - Using optical tweezers we measured the force-extension curves during the formation of membrane nanotubes. We found and explained theoretically that the force changes non-monotonically, its maximal value depends linearly on the radius of the pulling area, and undergoes a first order transition [5]. We gave a quantitative description of the coalescence of two membrane nanotubes pulled from a single vesicle. Our results provide a new method for the determination of the elastic properties of biological membranes [4]. We also showed that if the membrane contains curvature sensitive proteins, then there exists a critical protein concentration, above which no stable tube can form and the pulling of the membrane leads to vesiculation [7].