Statistical Mechanics and Computer Simulations with Applications in Micro- and Nano-Fluidics and Biological Physics

统计力学和计算机模拟在微纳米流体和生物物理学中的应用

• 批准号: 46434-2013
• 负责人: Slater, Gary
• 金额: $ 1.82万
• 依托单位: University of Ottawa
• 依托单位国家: 加拿大
• 项目类别: Discovery Grants Program - Individual
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 加拿大
• 起止时间: 2021-01-01 至 2022-12-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://www.nserc-crsng.gc.ca/ase-oro/Details-Detailles_eng.asp?id=719150
• 关键词: Statistical; Mechanics; Computer; Simulations; Applications

Over the last 10-15 years, we have witnessed a remarkable convergence of the experimental and computational sciences. Indeed, while experimentalists can now study single molecules such as DNA or proteins, or even build nanoscopic systems (e.g., nanochannels) made of a very small number of molecules, theoreticians now possess the theoretical and computational tools to study the very same systems, molecule by molecule. Massive computers make it possible to make molecular movies and detailed predictions. This convergence opens incredible possibilities in a number of disciplines, including biophysics and the separation sciences. In this grant application, we propose to investigate several problems at the interfaces between soft matter physics, analytical chemistry, biotechnology, computational science, and biophysics:(1) We will use molecular-level computer simulations to study micro- and nanofluidic systems used to separate and analyze DNA and proteins (what is often called lab-on-a-chip systems in the media).(2) We will continue the development of our revolutionary lattice model of diffusion and drift. We will extend our work to study the separation of biomolecules with high and pulsed electric fields, ratchet systems, networks of cavities, drug-delivery systems (e.g., gel-based pills), complex geometries, ...(3) We will continue the study and development of new microfluidic technologies. In particular, we will examine the separation of long DNA molecules, the use of artificial media as a substitute to fragile gels, and the design of devices based on thermodynamic ratchet systems.(4) We will model the passage of DNA through narrow pores, the process that will most likely be behind the next generation of DNA sequencers. We will examine the role of noise, the utilization of pulsed electric fields, and finally some biological aspects of this process as it occurs in live cells.(5) Finally, we will model the collective motion of swimming bacteria in asymmetric devices to see if these devices can be used to separate the cells according to their biophysical properties.#(cr)#(lf)Les sciences expérimentales et numériques convergent de façon remarquable en ce moment. En effet, alors que les laboratoires peuvent maintenant étudier une seule protéine ou un seul brin d'ADN, souvent à l'aide d'instruments eux-mêmes de taille moléculaire, les théoriciens ont désormais les outils informatiques qui leur permettent de simuler les même systèmes, molécule par molécule! Des ordinateurs imposants nous permettent de faire des prédictions précises et même du cinéma moléculaire. Cette convergence vers le petit ouvre des portes excitantes, en particulier en biophysique et dans les sciences de la séparation. Dans cette demande de fonds, je propose d'étudier plusieurs problèmes fondamentaux et appliqués aux interfaces de la physique de la matière molle, de la chimie analytique, de la biotechnologie, des sciences numériques et de la biophysique : (1) Nous modéliserons des systèmes micro- et nano- fluidiques qui peuvent séparer et analyser de l'ADN et des protéines (des laboratoires sur puce).(2) Nous généraliserons le développement de nos algorithmes de simulation de diffusion sur réseau pour étudier la séparation à l'aide de champs électriques forts et/ou pulsés, les rochets moléculaires, les milieux poreux, le largage de médicaments (comme des pilules de type gel) et les géométries complexes.(3) Nous continuerons l'étude et le développement de technologies microfluidiques. En particulier, nous examinerons la séparation de longs fragments d'ADN, l'utilisation de milieux artificiels comme support pour des séparations rapides, et la conception de dispositifs basés sur de nouveaux concepts théoriques.(4) Nous modéliserons le passage d'ADN à travers des nanopores, le mécanisme qui sera sans doute la base de la prochaine génération de séquenceurs. Nous y examinerons le rôle du bruit et des champs pulsés, et nous étudierons aussi comment ce phénomène se produit

在过去的10-15年里，我们见证了实验科学和计算科学的显著融合。事实上，虽然实验学家现在可以研究单分子，如DNA或蛋白质，甚至建立纳米系统（例如，尽管纳米通道是由非常少量的分子组成的，但理论家现在拥有理论和计算工具来逐个分子地研究相同的系统。大型计算机使制作分子电影和详细预测成为可能。这种融合在许多学科中开辟了令人难以置信的可能性，包括生物物理学和分离科学。在这项资助申请中，我们建议调查软物质物理学，分析化学，生物技术，计算科学和生物物理学之间的接口的几个问题：（1）我们将使用分子水平的计算机模拟来研究用于分离和分析DNA和蛋白质的微和纳米流体系统（通常被称为介质中的芯片实验室系统）。(2)我们将继续发展我们革命性的扩散和漂移晶格模型。我们将扩展我们的工作，研究生物分子的分离与高和脉冲电场，棘轮系统，网络的空腔，药物输送系统（例如，凝胶药丸），复杂的几何形状，. (3)我们将继续研究和开发新的微流体技术。特别是，我们将研究长DNA分子的分离，使用人工介质作为脆弱凝胶的替代品，以及基于热力学棘轮系统的设备设计。(4)我们将模拟DNA通过窄孔的过程，这一过程很可能是下一代DNA测序仪的基础。我们将研究噪声的作用，脉冲电场的利用，以及最后这个过程在活细胞中发生的一些生物学方面。(5)最后，我们将在不对称设备中模拟游泳细菌的集体运动，看看这些设备是否可以根据它们的生物物理特性来分离细胞。(cr)#（lf）Les sciences exérimentales et numériques convergent de façon remarquable en ce moment.实际上，实验室需要研究一种蛋白质或一种ADN蛋白质，需要借助分子模拟仪器，理论工作者需要研究能够模拟分子系统的信息源，即分子对分子的模拟！我们允许那些重要的协调人做精确的预测，甚至是分子电影。这一趋同性体现在兴奋通道的小范围内，特别是在生物物理学和分离科学方面。在这一基金需求中，我提出了多个基础研究问题，并将这些问题应用于软物质、分析化学、生物技术、数值科学和生物物理学的物理学接口：（1）我们的微纳米流体系统模型，它可以用于ADN和蛋白质的分离和分析（实验室）。(2)我们一般都在研究网络上扩散的模拟算法，以研究champs électriques pellet/ou pellés、les rochets moléculaires、les milieux poreux、le largage de medicaments（comme des pillules de type gel）和les géométries complex的分离。(3)我们继续研究和发展微流体技术。特别是，我们审查了ADN长片段的分离，利用人工环境来支持快速分离，以及基于新理论概念的处置概念。(4)Nous modéliserons勒帕瑟d'ADN à travers des nanopores，le mécanisme qui sera sans doute la base de la prochaine génération de séquenceurs.我们研究了噪音和冠军的作用，我们的研究人员也评论了这种现象的产生