Shear-induced Phenomena of a Collapsed Polymer

Abstract

A fundamental understanding of the dynamical behavior of biopolymers under non-equilibrium conditions is essential to the investigation of biological systems on the microscopic scale. The blood clotting protein von Willebrand factor presents a prominent example of current biophysical research on the relationship between structural and functional properties of multimeric proteins under flow conditions with the aim to explain and predict complex biological processes. The present thesis theoretically investigates several non-equilibrium phenomena associated with collapsed biopolymers in shear flow. Specifically, we explore shear-induced dynamics, adsorption, unfolding, activation, and degradation of von Willebrand factor and associated polymeric systems by means of Brownian hydrodynamics simulations using coarse-grained models. We first examine the dynamics and adsorption behavior of a single collapsed homopolymer globule on homogeneous and inhomogeneous surfaces in shear flow. Dynamic state diagrams as a function cohesion, adhesion, and shear rate feature distinct dynamical adsorbed states being classified into rolling and slipping states, globular and coil-like states, as well as isotropic and prolate states. We observe stick-roll motion for highly corrugated inhomogeneous surface potentials due to high lateral surface friction. Despite low drift velocities and reduced hydrodynamic lift forces on such inhomogeneous surfaces that are entirely based on energy-conserving pair potentials, a shear-induced adsorption is not found. Second, we study adsorption of a globule under shear on smooth surfaces with stochastic surface-monomer bonds whose two-state kinetics is characterized by the bond formation rate, bond dissociation rate and an effective catch bond parameter describing how force acting on a bond influences the dissociation rate. Constructing adsorption state diagrams as a function of shear rate and all three bond parameters, we find shear-induced adsorption in a small range of parameters for low dissociation and association rates and only when the bond is near the transition between slip and catch bond behavior. We argue that more elaborate potential-based models are necessary to observe catch bond behavior that allow for shear-induced surface adsorption phenomena. Third, we show that the internal tension distribution along the contour of a globule in shear flow is inhomogeneous and above a threshold shear rate exhibits a double-peak structure. We argue that these tension maxima close to the termini of the polymer chain reflect the presence of polymeric protrusions and establish the connection to shear-induced globule unfolding. By means of heuristic scaling laws and an quasi-equilibrium theory, simulation results of average protrusion lengths and maximal tensions are analyzed. Our results are used to explain experimental data for the shear-sensitive enzymatic degradation of collapsed biopolymers. In particular, we relate the cleavage rate of von Willebrand factor in blood plasma to the probability of single cleavage sites to be accessible for the protease.

Ein fundamentales Verständnis des dynamischen Verhaltens von Biopolymeren unter Nicht-Gleichgewichtsbedingungen ist essentiell für die Untersuchung mikroskopischer biologischer Systeme. Das Blutgerinnungsprotein von- Willebrand-Faktor ist ein bedeutendes Beispiel für aktuelle biophysikalische Forschung über die Beziehung zwischen strukturellen und funktionellen Eigenschaften von multimeren Proteinen unter Flussbedingungen mit dem Ziel komplexe biologische Prozesse erklären und vorhersagen zu können. Die vorliegende Arbeit untersucht theoretisch verschiedene Nicht- Gleichgewichtsphänomene im Zusammenhang mit kollabierten Biopolymeren im Scherfluss. Insbesondere erforschen wir scher-induzierte Dynamik, Adsorption, Entfaltung, Aktivierung und Degradation des von-Willebrand-Faktors und ähnlichen Polymersystemen mittels Brownscher-Hydrodynamik-Simulationen und grobkörnigen Modellen. Erstens untersuchen wir die Dynamik und das Adsorptionsverhalten eines kollabierten Homopolymer-Globules an homogenen und inhomogenen Oberflächen im Scherfluss. Die erfassten dynamischen Zustandsdiagramme als Funktion von Kohäsion, Adhäsion und Scherrate weisen unterschiedliche dynamische, adsorbierte Zustände auf, welche in rollende und gleitenden, globuläre und gewundene sowie isotrope und prolate Zustände klassifiziert werden. Stark gewellte, inhomogene Oberflächenpotentiale führen zu einer Anhaft-Roll-Bewegung aufgrund hoher Oberflächenreibung. Obwohl diese inhomogenen Oberflächen basierend auf konservativen Paarpotentialen zu geringen Driftgeschwindigkeiten und schwacher hydrodynamischer Liftkraft führen, wird keine scher-induzierte Adsorption beobachtet. Zweitens studieren wir die Adsorption eines Globules im Scherfluss an glatten Oberflächen mit stochastischen Oberflächen-Monomer-Bindungen, deren Kinetik durch zwei Zustände und entsprechende Raten für Assoziation und Dissoziation von Bindungen sowie eines effektiven Catch-Bindungsparameters, der den Einfluss von Kraft auf die Dissoziation bestimmt, charakterisiert ist. Wir konstruieren Adsorptions-Zustandsdiagramme als Funktion der Scherrate und den drei Bindungsparametern und entdecken scher-induzierte Adsorption in einem kleinen Parameterbereich niedriger Assoziations- und Dissoziationsraten und nur für Bindungen nahe dem Übergang von Slip- zu Catch-Bindungsverhalten. Wir zeigen, dass kompliziertere potentialbasierte Modelle nötig sind, um Catch-Bindungen zu erhalten, die scher-induzierte Oberflächenadsorption erlaubt. Drittens zeigen wir die inhomogene, interne Spannungsverteilung entlang der Kontour eines Globules im Scherfluss, welche über einer Grenzscherrate eine Doppel- Peak-Strukture aufweist. Spannungsmaxima nahe der Polymerenden sind auf die Existenz von Polymer-Protrusionen zurückzuführen, wobei der Zusammenhang mit scher-induzierter Globule-Entfaltung hergestellt wird. Mittels heuristischer Skalengesetze und einer Quasigleichgewichtstheorie werden mittlere Protrusionslängen und maximale Spannungen analysiert. Unsere Ergebnisse werden genutzt, um experimentelle Daten von scher-sensitiver enzymatischer Degradation von kollabierten Biopolymeren zu erklären. Insbesondere wird die Spaltungsrate des von-Willebrand-Faktors in Blutplasma mit der der Wahrscheinlichkeit zugänglicher Spaltungsstellen für die Protease in Verbindung gesetzt.