活性生物体系扩散-反应动力学的介观统计理论研究

Understanding the diffusion dynamics of active particles and the biomolecular reaction kinetics such as folding and zipping etc. in active environment is crucially important for modeling processes in vivo. We aim to establish a systematic theoretical study based on statistical mechanics to investigate the anomalous diffusion-reaction kinetics in active biological systems. The main contents include: (1) Through developing the mode-coupling theory and combining with generalized Langevin equation, we will establish a stochastic description for the diffusion dynamics of active particles in polymer solutions. The anomalous behaviors of super-diffusion and sub-diffusion will be particularly studied, and the quantitative dependence between the effective diffusion coefficients on polymer concentration will be analyzed.(2) We will apply coarse-grained molecular dynamics simulation to study the conformation transitions of a polymer chain in active bath. By calculating the non-equilibrium depletion force, we will reveal the mechanism of active bath induced polymer conformational change. (3) We introduce the non-equilibrium active noise into the Fokker-Planck equation, and then establish the rate theory for polymer chain end-end reactions, and for DNA translocation through a biomolecular nanopores. (4) We will develop multi-particle collision dynamics simulation method, to clarify the hydrodynamic interaction effect in the above studies of (1)-(3). Our theory will be applied to the experimental investigations based on fluorescence tracer and Förster resonance energy transfer, to provide better understanding of the observed novel phenomena concerning diffusion and reaction in active biological systems.

研究活性生物体系的扩散以及折叠、环化等反应速率过程，对深入理解细胞内生命过程具有十分重要的意义。本项目拟发展介观统计方法，系统研究活性生物体系的非正常扩散动力学及反应动力学。主要内容包括：（1）发展模耦合理论并结合广义郎之万方程，研究活性粒子在高分子溶液中的超扩散及亚扩散竞争机制，定量分析有效扩散系数与溶液浓度的反常依赖关系。（2）发展活性环境中有效相互作用计算方法，结合粗粒化随机动力学模拟，研究活性浴中高分子链的构象变化及其内在机制。（3）立足扩散-反应Fokker-Planck方程，引入非平衡活性噪声，建立活性浴中高分子链端反应及穿孔动力学速率理论。（4）发展活性体系多粒子碰撞动力学模拟方法，在上述研究中纳入流体力学相互作用，揭示流体力学效应的重要影响。以上理论将与荧光示踪及荧光共振能量转移等实验研究结合，为理解活性生物体系扩散-反应动力学的新现象和新规律作出贡献。

研究活性生物体系的扩散以及折叠、环化等反应速率过程，对深入理解细胞内生命过程具有十分重要的意义。本项目采用介观统计理论并结合计算机模拟的方法，系统研究活性生物体系的扩散-反应动力学，揭示活性及复杂溶液效应对相关动力学行为影响。成果研究主要包括：.1、活性—拥挤耦合效应对纳米粒子、高分子链的扩散动力学行为的影响.通过研究活性粒子在高分子溶液中的超扩散及亚扩散竞争机制，揭示了有效扩散系数与溶液浓度的反常依赖关系；基于活性探针在各向异性环境中的扩散动力学研究，揭示了活性粒子利用各向异性溶液环境增强其扩散能力的物理本质；通过研究活性硬球溶液中高分子链的扩散动力学，揭示了扩散速率与硬球溶液浓度、尺寸以及活性之间复杂关系的内在机制；通过开展各向异性环境中半柔性线状和环状高分子链构象变化的比较性研究，揭示环形高分子的拓扑约束对于构象变化的抑制作用。.2、活性效应对于链构象及环化反应及穿孔动力学的影响.采用粗粒化随机模拟的方式，系统研究了高分子链在活性-拥挤环境中的构象变化与溶液浓度、活性之间的依赖关系;通过研究活性浴中链的环化动力学行为，揭示了环化速率与活性非均一环境之间的内在关联，建立了活性浴中高分子链端反应速率计算方法；引入非平衡活性噪声，建立了活性浴中高分子穿孔动力学速率计算方法。.3、活性效应诱导的集体行为.结合耗散效应的平均场理论和聚合物宏观粘度的半经验标度方程，描述粒子表面附近空间非均匀的浓度和粘度分布，并提出一种亚浓溶液中分子探针转动扩散系数新的标度形式；采用郎之万理论与计算模拟方法相结合的方式，系统研究了具有可调偏角的各向异性活性系统的扩散动力学及相行为变换，并基于吸附—逃逸模型，揭示了单粒子的扩散动力学与体系宏观相行为关联。