TY  - THES
AB  - Elektrophorese ist eine der Haupttechniken, um DNA-Stränge nach Länge zu trennen. Die Mobilität von DNA in freier Lösung ist unabhängig von der Größe des Moleküls. Daher wird diese normalerweise in Polymergelen durchgeführt. Leider sind diese nicht in der Lage, lange DNA-Stränge effektiv zu trennen. Ein neuer Ansatz besteht darin, die Fortschritte in der Mikroelektronik zur Herstellung neuer Trennstrukturen zu nutzen. In dieser Arbeit wurden diese Strukturen mittels Computersimulation eines Kugel-Feder-Ketten-Modells untersucht.
Eine Struktur, die bereits weitgehend untersucht wurde, sind sogenannte "entropische Fallen". Diese bestehen aus einer periodischen Folge von breiten und engen Regionen. Die Engstellen haben eine Breite, die mit der Persistenzlänge vergleichbar ist. Daher ist für das Passieren der Engstellen eine Entknäuelung der DNA notwendig. Dieses reduziert die entropische freie Energie, daher der Name. Die Entknäuelung wird eingeleitet durch eine initiale Schlaufe, die in den engen Bereich reicht und dann das Polymer nachzieht. Da größere Ketten eine größere Wahrscheinlichkeit haben, diese Schlaufe zu bilden, migrieren diese schneller. Bislang wurde ein Einfang ausschließlich an der plötzlichen Verengung angenommen. Anhand der Simulationsdaten konnte ein neuer Einfangmechanismus identifiziert werden: Ketten können in die weiten Bereiche der Struktur diffundieren und dort aufgrund des fehlenden elektrischen Feldes verharren. Auch dieser Effekt bewirkt eine schnelle Migration der langen Ketten, da die Diffusion längenabhängig ist. Ein Vergleich der Simulationsdaten mit einem einfachen Modell zeigt, dass dieser Effekt mindestens ebenso wichtig ist wie das Hängenbleiben an der Verengung.
Eine andere Struktur, die bislang wenig untersucht wurde, sind geometrisch strukturierte Mikrokanäle. Diese sind sehr ähnlich den entropischen Fallen, allerdings ist die Breite der Engstelle vergleichbar mit dem Gyrationsradius und damit wesentlich breiter. Ein Entknäueln ist nicht mehr erforderlich, um diese Region zu passieren. Trotzdem kann der neue Einfangmechanismus aus entropischen Fallen hier ebenfalls auftreten. Die Simulationsdaten zeigen jedoch eine Umkehrung der Mobilität als Funktion der Kettenlänge bei schwachen Feldern. Bei starken Feldern treten zwei Migrationszustände auf, ein langsamer und ein schneller, die unter geeigneten Bedingungen auch experimentell beobachtet werden konnten. Die Gründe für das Auftreten der zwei Zustände sowie der Übergangsmechanismus wurden untersucht.
Zur Untersuchung von Ratscheneffekten wurde ein gepulstes elektrisches Feld an die geometrisch strukturierten Mikrokanäle angelegt. Zunächst wurden die Driftweiten in einem symmetrischen gepulsten Feld analysiert. Dabei zeigte sich, dass der langsame Zustand eine Orientierung besitzt: Ein Teil der Kette ist verknäuelt in der breiten Region, der andere ist in der Verengung und zieht das Knäuel in die Verengung. Bei der Umkehr des Feldes benötigt der langsame Zustand also eine gewisse Zeit, um sich an die neue Migrationsrichtung anzupassen. In einem zweiten Schritt wurde ein asymmetrisches Feld angelegt, um Ratscheneffekte bei schnellem Antrieb zu untersuchen. Eine Ausnutzung der zwei Migrationszustände als solche ist nicht möglich, da die Lebensdauer der zwei Zustände zu lang ist. Da der schnelle Zustand weder Orientierung noch Wechselwirkungen mit der Wand hat, zeigt dieser keine Ratscheneffekte. Dennoch existieren Ratscheneffekte im langsamen Zustand, welche diskutiert werden.
DA  - 2005
KW  - DNS , Doppelhelix , Brownsche Bewegung , Mikrochip-Elektrophorese , Molekulardynamik , Polymere , Biopolymere , Entropische Falle , Polymerdynamik , Ratsche (Physik) , Computersimulation , Computer simulation , Microchip electrophoresis , Entropic trap , Polymer dynamics , DNA
LA  - eng
PY  - 2005
TI  - Brownian dynamics simulation of migration of DNA in structured microchannels
UR  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:361-6358
Y2  - 2024-11-22T02:58:11
ER  -