Theoretical Studies on Helical Polymer Modeling and Folding

Die Entdeckung der DNA-Doppelhelix bei Watson und Crick im Jahr 1953 war einer der wichtigsten Meilensteine in der Erforschung makromolekularer Strukturen. Diese Entdeckung führte zur Verfolgung zahlreicher Forschungslinien und Anwendungen, die sich mit der Faltung, Synthese und Strukturbestimmung von Helixstrukturen befassen. Heute ist weithin bekannt, dass Helices eine wichtige Rolle in Biomolekülen spielen, und es besteht ein großes Interesse an der Nutzung dieses Motivs in einem breiteren Spektrum von Anwendungen, z. B. in der Biomedizin und der Entwicklung von Soft Materials. ... mehrDie vorliegende Arbeit basiert auf dem letztgenannten Bereich und konzentriert sich auf das Design helikaler Polymere aus theoretischer Sicht.

Molekulare Simulationstechniken wie Molekulardynamik und Monte Carlo wurden bereits in großem Umfang zur Erforschung von Polymerstrukturen eingesetzt. Häufig werden diese Ansätze auf helikale Strukturen mit hohen Inversionsbarrieren angewandt oder erfordern experimentellen Struktureinsatz, um die Messungen zu reproduzieren. In dieser Arbeit verwenden wir rein theoretische Ansätze, um die treibenden Kräfte bei der Induktion dynamischer helikaler Polymere zu verstehen und helikale Konformationen von Polymeren zu modellieren.

Zunächst wurden Erkenntnisse über die helikale Induktion von Poly-4-carboxyphenylacetylen durch chirale Amine mithilfe von DFT-Optimierungen, DFT-Dihedral-Scans und Molekulardynamik untersucht. Die DFT-Ergebnisse zeigen, dass die Geometrien der lokalen Wechselwirkung zwischen den chiralen Aminen und den Carboxygruppen des Polymers eine wichtige Rolle beim Induktionsprozess spielen. Die Bader-Ladungsanalyse zeigt unterschiedliche Ladungstransfers beim Vergleich von R- und S-Konformationen, die mit rechts- und linksdrehenden schraubenförmigen Polymeren.

In der nächsten Arbeit wurden systematische Protokolle erstellt, um helikale Strukturen von post-modifizierten Polyphenylacetylenen durch chirale Amine zu modellieren. Dies wurde sowohl für para- als auch für meta-substituierte Seitenketten durchgeführt. Es wurden blinde und lokale Helix-Suchen auf der Grundlage von Monte-Carlo-Simulationen und DFT-Dihedral-Scans verwendet. Als wichtigste stabilisierende Wechselwirkungen erwiesen sich H-Bindungen, $\pi - \pi$ Stapelwechselwirkungen und $\pi - \pi$ T-förmige Wechselwirkungen.

Im letzten Kapitel wurde ein de novo Design von helikalen Strukturen unter Verwendung von sequenzgesteuerten Oligomeren durchgeführt. Es wurden Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt, und das helikale Design wurde durch eine Wasserstoffbrücken-Clusteranalyse geleitet. Es wurden verschiedene Klassen von Sequenzen mit unterschiedlichen Längen der Rückgrate und Seitenkettenmodifikationen berücksichtigt. Die besten helikalen Sequenzen wurden mit Molekulardynamik mit einem expliziten Lösungsmittel simuliert, um ihre Stabilität zu testen.

The discovery of the DNA double-helix by Watson and Crick in 1953 was one of the most significant milestones in researching macromolecular structures. This discovery leads to the pursuit of many research lines and applications involving the folding, synthesis, and structural determination of helical structures. Today, it is widely known that helices play an important role in biomolecules, and there is much interest in using this motif in a broader range of applications, such as in bio-medicine and soft materials development. This thesis is based on the latter field and focuses on the design of helical polymers from a theoretical perspective.
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Molecular simulation techniques such as Molecular Dynamics and Monte Carlo have already been extensively applied to the research of polymer structures. Frequently, these approaches are applied to helical structures with high inversion barriers or require experimental structural input to reproduce the measurements. In this thesis, we use purely theoretical approaches to understand the driving forces on the induction of dynamic helical polymers and model polymer helical conformations.

First, insights regarding the helical induction of poly 4-carboxyphenyl acetylene by chiral amines were investigated using DFT optimizations, DFT dihedral scans, and Molecular Dynamics. The DFT results show that the geometries of the local interaction of the chiral amines and the polymer carboxy groups play a major role in the induction process. Bader charge analysis reveals different charge transfers upon comparing R and S conformations interacting with clockwise and counterclockwise screw-sense polymers.

In the next piece of work, systematic protocols were created to model helical structures of post-modified poly phenylacetylenes by chiral amines for both para and meta-substituted side chains. Blind and local helical searches based on Monte Carlo simulations and DFT dihedral scans were utilized. The key stabilizing interactions were found to be H-bonds, $\pi - \pi$ stacking interactions, and $\pi - \pi$ T-shaped interactions.

In the last chapter, a de novo design of helical structures was carried out using sequences-controlled oligomers. Annealing Monte Carlo simulations were performed, and the helical design was guided by Hydrogen Bond cluster analysis. A variety of classes of sequences were considered with different lengths of backbones and side chain modifications. The best helical sequences were simulated with Molecular Dynamics with an explicit solvent to test their stability.