SPEKTRALNA ANALIZA TERMIČNIH FLUKTUACIJ MEMBRAN Z UPORABO FAZNOKONTRASTNEGA MIKROSKOPA IN RAČUNALNIŠKIH SIMULACIJ MONTE CARLOPenič, Samo (Avtor) Iglič, Aleš (Mentor) Spektralna analiza termičnih fluktuacij membran z uporabo faznokontrastnega mikroskopa in računalniških simulacij Monte CarloMembrane, tanke lonice med dvema področjema, so lahko podvržene termičnim fluktuacijam. Pomemben primer tankih mejnih plasti v naravi so membrane v bioloških celicah. Celice različnih velikosti, oblik in funkcij so osnovni sestavni deli bioloških sistemov. Kljub raznolikosti celic, ki jih najdemo v bioloških sistemih, so osnovni gradniki in njihova kemijska sestava večine celic enaki. Lastnosti bioloških membran, ki obdajajo celice ali njene organele, se precej razlikujejo od lastnosti makroskopskih objektov, ki smo jih vajeni iz vsakodnevnega življenja. Na primer, lipidna dvojna plast, osnova bioloških membran, je tako mehka na upogib, da lahko že termično gibanje okolne raztopine pri sobni temperaturi povzroča spremembe oblike membrane. S spektralno analizo takšnih terminih fluktuacij biološke membrane je mogoče neinvazivno določati njene mehanske lastnosti. Migetanje (utripanje) rdečih krvnih celic je zaznal že Browicz v poznem 19. stoletju z uporabo optičnega mikroskopa. Danes lahko fluktuacije lipidne dvojne plasti opazujemo z izboljšanim faznokontrastnim mikroskopom ter s spektralno analizo teh fluktuacij neinvazivno merimo nekatere ključne lastnosti bioloških celic. V doktorski disertaciji smo izdelali merilni sistem za analizo termičnih fluktuacij bioloških membran s faznokontrastnim mikroskopom. Končni cilj tega razvoja je celostno računalniško krmiljeno eksperimentalno okolje primerno za raziskovalce s področja bioloških znanosti. V doktorskem delu smo predstavili tudi posodobljen in izboljšan računalniki program za simulacije Monte Carlo z naključnimi trikotniškimi mrežami, s katerimi je mogoče modelirati termine fluktuacije bioloških membran. S simulacijami Monte-Carlo smo preverili nekatere predpostavke teoretičnega modela za določanje elastinih lastnosti bioloških membran z analizo njihovih terminih fluktuacij. Teoretični model Milnerja in Safrana za določanje elastinih lastnosti bioloških membran z analizo njihovih terminih fluktuacij temelji na znanem Helfrichovem modelu membrane in vsebuje tudi implicitno predpostavko, da pri terminih fluktuacijah lipidne dvojne plasti nihanji upogiba in natega membrane nista sklopljeni in lahko uporabimo približek povprečnega polja. Veljavnost zgornje predpostavke nameravamo preveriti z numerinim modelom. S simulacijami Monte Carlo z naključnimi trikotniškimi mrežami lahko modeliramo biološke membrane v njihovem termodinamičnem ravnovesju in stohastični Metropolis Hastingsov algoritem nam omogoča analizo njihovih termičnih fluktuacij. Čeprav nam tudi nekateri drugih numerični modeli membrane nudijo primerno časovno zahtevnost za obravnavo celotne celice oziroma lipidnega mehurka, so pri simulacijah Monte Carlo z naključnimi trikotniškimi mrežami elastine konstante membrane (npr. upogibna konstanta) sestavni del samega modela. Čas izvajanja simulacij Monte Carlo z naključnimi trikotniškimi mrežamise povečuje z večanjem simuliranega sistema. Časovna zahtevnost simulacije narašča s kvadratom števila vozlišče naključne trikotniške mreže, če upoštevamo interakcije dolgega dosega med vozlišči, kot so na primer elektrostatične sile med naelektrenimi delci membrane. Ker število vozlišče še dodatno narašča s kvadratom radija celice, simulacijski čas torej narašča s četrto potenco premera celice. S skaliranjem sistema lahko delno rešimo problem časovne zahtevnosti, če lahko majhne površine membrane, ki jo sestavlja množica elementov (molekul) opišemo z enim vozliščem v trikotniški mreži. Dodatno pohitritev simulacij lahko dosežemo s paralelizacijo simulacijskega algoritma in tako izkoristimo prednosti, ki jih nudijo novodobne večjedrne in večnitne procesorske arhitekture. Raziskali smo možnosti paralelizacije naših simulacij z naključnimi trikotniškimi mrežami s pomočjo različnih paralelizacijskih pristopov. Sistemi, ki temeljijo na metodah merjenja s faznokontrastnim mikroskopom, reflektivno interferenčnim in s fluorescentno interferenčnim mikroskopom so primeri merilnih sistemov, ki omogočajo neinvazivno določitev elastičnih lastnosti membran. Sistem je sestavljen iz faznokontrastnega mikroskopa, stroboskopske osvetlitve in kamere povezane z računalnikom. Kamera in stroboskopska osvetlitev morata biti ustrezno sinhronizirana, da lahko natančno zabeležimo obliko membrane v danem času. Stroboskop kratkotrajno osvetli vzorec znotraj posameznega zajema slike in tako odpravi problem neostre slike zaradi hitrih fluktuacij, ki bi sliko zameglile, če bi dopustili daljši čas osvetlitve med integracijskim časom kamere. Stroboskop lahko pri razelektritvi skozi stroboskopsko luč povzroči mehanske tresljaje celotnega mikroskopa in s tem tudi merjenca. Tresljaji pozročajo neželjene premike in deformacije membran, hkrati pa pripomorejo k manjši ločljivosti zaznave robov. Prednost izvedenega merilnega sistema je v popolni avtomatizaciji meritev in izboljšanem sistemu za osvetlitev vzorca.20152015-10-05 12:30:08Doktorska disertacija73006VisID: 32602COBISS_ID: 11167060sl