izpis_h1_title_alt

SPEKTRALNA ANALIZA TERMIČNIH FLUKTUACIJ MEMBRAN Z UPORABO FAZNOKONTRASTNEGA MIKROSKOPA IN RAČUNALNIŠKIH SIMULACIJ MONTE CARLO
ID Penič, Samo (Author), ID Iglič, Aleš (Mentor) More about this mentor... This link opens in a new window

.pdfPDF - Presentation file, Download (15,44 MB)
MD5: 4AEC70527D737DF2486F1C283C95EAE2
PID: 20.500.12556/rul/67f2b7c9-417f-473c-b0c6-fbb742118f2c

Abstract
Membrane, 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.

Language:Slovenian
Keywords:Spektralna analiza termičnih fluktuacij membran z uporabo faznokontrastnega mikroskopa in računalniških simulacij Monte Carlo
Work type:Dissertation
Organization:FE - Faculty of Electrical Engineering
Year:2015
PID:20.500.12556/RUL-73006 This link opens in a new window
COBISS.SI-ID:11167060 This link opens in a new window
Publication date in RUL:05.10.2015
Views:2744
Downloads:513
Metadata:XML RDF-CHPDL DC-XML DC-RDF
:
Copy citation
Share:Bookmark and Share

Secondary language

Language:English
Title:SPECTRAL ANALYSIS OF THERMALLY FLUCTUATING MEMBRANES USING PHASE-CONTRAST MICROSCOPY AND MONTE-CARLO COMPUTER SIMULATIONS
Abstract:
Membranes, thin barriers between compartments, can uctuate. An important example in nature are membranes of biological cells. Cells, these building blocks of biological systems, have diverse capabilities and shapes. However, the basic structural elements and their chemical composition of most cells are the same. Fluid sheets (membranes) enclose the cell and its compartments, while networks of fillaments, if present, maintain the cell's shape and help organize its contents. These structural elements can have quite di_erent mechanical properties than macroscopic objects of our everyday life. For example, they are very soft solely thermal uctuations at room temperature can generate gentle undulations of membranes.Flickering" of red blood cells was already recorded in the late 19th century by Browicz using the light microscope. Today, with phase-contrast microscopy, non-invasive spectral analysis of those thermal uctuations of biological membranes can provide useful information of the membrane properties.Theoretical model for determining elastic properties of biological membranes with analysis of thermal uctuations by Milner and Safran is based on Helfrich model of membrane and includes also an implicit assumption that in the thermal uctuations of phospholipid bilayers, the shape uctuation modes are not correlated with the lateral stretching modes and that the mean-field approximation can be used. Using Randomly triangulated surfaces, we can simulate biological membrane systems in their thermodynamical equilibrium, where the stochastic Metropolis-Hastings algorithm allows us to sample their thermal uctuations. In this thesis, the coarse-grained model of the membrane is implemented in the program written in C programming language, where the membrane is represented by randomly triangulated network. The model takes into account the assumptions by Milner and Safran. The output of the simulator is the bending sti_ness of the membrane Kc which can be compared with the input bending stiffness , to verify if the numerical simulations are in accordance with the theoretical predictions of Milner and Safran. The randomly triangulated surfaces Monte-Carlo simulations can become time consuming for large systems, therefore some sort of parallelization is needed to harvest the capabilities of modern computers. Two approaches were made and compared. The problem proved to be embarrassingly parallelizable and we measured near theoretical max. speedup of the simulations by running multiple instances of the simulators and combining their statistics. Systems based on method of measurement of thermal uctuations with phase-contrast microscopy, interference contrast microscopy and uorescent-interference contrast microscopyare examples of non-invasive determination of the elastic properties of membranes. Our system is based on phase-contrast microscope and illumination apparatus presented in and, including image analysis described in. It basically consists of a phase-contrast microscope, a stroboscopic lighting system and a camera, connected to a computer. The camera and the lighting system was synchronized to allow a precise, blur-less registration of the membrane shape at the given moment, which is then analysed using user friendly software on the computer. The results of the simulations con_rmed the assumptions of Milner and Safran. The measurements of the simulations were behaving accordingly to the prediction of the equation of Milner and Safran, thus we concluded that the numerical simulations of nearly spherical vesicles modelled with triangulated networks can be used to determine the bending sti_- ness. Depending on the resolution of the simulations (the density of the mesh) the di_erence between input and measured bending sti_ness can be well below 10%.

Keywords:simulacije Monte Carlo, fosfolipidni dvosloj, naključne trikotniške mreže, termične fluktuacije, upogibna konstanta, spektralna analizaKeywords: Monte Carlo simulations, phospholipid bilayer, randomly triangulated networks, thermal fluctuations, bending elasticity, spectral analysis

Similar documents

Similar works from RUL:
Similar works from other Slovenian collections:

Back