Moleküldynamik-Simulationen von Lipid-Doppelschichten: Coarse-Grained-Modelle und Wechselwirkung mit Polymeren

Die vorliegende Arbeit beruht auf zwei Projekten, die sich mit der Struktur von Lipid-Doppelschichten und -im zweiten Teil - ihren Wechselwirkungen mit Oligomeren auseinandersetzen. Im ersten Projekt sollen die inter- und intramolekularen Wechselwirkungen zwischen Lipidmolekülen einer Lipid-Doppelschicht untersucht werden. Dazu wurden zunächst aus atomistischen Simulationen die Schwerpunkte der Lipide bestimmt. Diese bildeten die Grundlage für weiterführende statistische Simulationen. Ziel war es, auf Basis einer Kombination aus unterschiedlichen mathematischen Zusammenhängen aus der Theorie der Flüssigkeiten und den Simulationsdaten ein coarse grained-Modell zur Beschreibung der molekularen Interaktionen sowie der entsprechenden Potentialkurven zu entwickeln. Die Umsetzung dieser Methode scheiterte jedoch an der Bestimmung der direkten Korrelationsfunktion c(r) und an vereinfachenden Annahmen, die sich im Nachhinein als nicht tragfähig erwiesen. Infolgedessen wichen die berechneten Potentialkurven von physikalisch erwartbaren Verläufen ab. Die Methode erwies sich daher als noch optimierungsbedürftig und wurde im Rahmen dieser Arbeit nicht weiter verfolgt. Da sich atomistische Simulationen im Laufe der Arbeit als realisierbar erwiesen, wurde stattdessen der Fokus auf das Verhalten von Polymeren in Lipiddoppelschichten gelegt. Im zweiten Projekt wird die Wechselwirkung von Polymeren mit Lipiddoppelschichten auf molekularer Ebene mithilfe von Molekulardynamik-Simulationen und der Theorie des Random Walks in eingeschränkten Räumen untersucht. Die Motivation für dieses Projekt war die zunehmende Verbreitung von Polymer-Nanopartikeln in der Umwelt, ein direkter Effekt des weltweit stark ansteigenden Verbrauchs polymerer Materialien im Alltag. Obwohl bekannt ist, dass Polymere und insbesondere deren Zersetzungsprodukte biologische Systeme beeinflussen können, ist das genaue Zusammenspiel zwischen Polymeren und biologischen Membranen noch unzureichend verstanden. Als vereinfachte Modellsysteme werden DMPC-Doppelschichten in Kontakt mit Oligostyrolen (5 und 10 Monomere) oder n-Alkanen (2, 4, 8 und 16 Monomere) in wässriger Umgebung verwendet. Die Simulationen zeigen, dass die Oligomere sich bevorzugt innerhalb der Doppelschicht aufhalten, und die Berechnungen der freien Energie deuten auf eine geringe Aktivierungsbarriere für den Prozess des Eintretens kleiner Polymerketten in Doppelschichten hin. Ist der Gyrationsradius der Polymerkugel größer als das Durchmesser des hydrophoben Kerns der Schicht (&gt 3 nm), so begrenzt eine entropische Barriere den Eintritt. Das Passieren kleiner Ketten unterhalb des Polymerschmelzpunkts in Doppelschichten wird über einen Reptationsmechanismus erklärt. Für Nanopartikel, die aus großen olymerketten bestehen, wird eine Verankerung der hervorstehenden Polymerketten in der Membran als erste Stufe des Einbaus angenommen.