Document
Simulations of Packing and Ejection Dynamics of Viral DNA in Vitro and in vivo
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2014
Language
English
Subject
English abstract
We use simulation techniques to study the effect of temperature and viral capsid tail on the packing and ejection of semiflexible polymers into and out of spherical bacteriophage capsid. We also simulate the Hershey-Chase experiment to investigate viral polymer ejection in vivo. The polymers are coarse-grained into 100 beads using molecular dynamics simulations and the solvent particles are modeled using Stochastic Rotation Dynamics. We find that for tailless capsids at higher temperatures, the packing time slightly decreases for neutral polymers but packing becomes harder for charged polymers. On the other hand, ejection is slower at lower temperatures for both neutral and charged polymers. If the capsid has a tail, whether the polymer is charged or not, packing becomes much easier at any fixed temperature, whereas ejection is much slower. The dynamics for charged polymers is rather significant: the packing becomes much easier with tail at higher temperatures, whereas during ejection the last remaining beads are trapped inside the tail for some time before full ejection is complete. In regards to simulating the Hershey-Chase experiment, we model the bacterial cell as a box to which a capsid is attached via its tail. An additional coarse-grained polymer of 100 beads is added to our simulations to represent the bacterial genome 'and is confined within a certain region inside the bacterial box. The density of bacterial polymer has been varied to study its effect on the ejection. We also consider ejection of shorter (80 beads) viral polymers and different flexibilities of both viral and bacterial polymers Irrespective of flexibilities of both polymers, we find pauses during ejection. In some densities the pauses are very long and in others they are few in numbers. This has been interpreted by considering the behavior of viral polymer while ejecting from the capsid into the bacterial cell. The mean ejection time in all cases of flexibilities for both lengths (100 and 80 beads) are comparable. However, in some cases of flexibilities the shorter viral polymer ejects faster than the longer one, which is consistent with recent experimental data.
Member of
Resource URL
Arabic abstract
تم استخدام تقنيات المحاكاة لدراسة تأثير درجة الحرارة وذيل غلاف فيروس أكل البكتيريا في عمليتي تغليف وانطلاق بوليمرات شبه مرنة من وإلى غطاء الفيروس، كما تم محاكاة تجربة Hershey- Chase في الفيفو للتحقق من عملية انطلاق البوليمر الفايروسي من الغلاف. تم تمثيل البوليمر الفيروسي بمئة كرة صغيرة باستخدام اسلوب المحاكاة الدينامية الجزيئية أما جسيمات المذيب فقد تم تمثيلها باستخدام اسلوب المحاكاة الدينامية الدوران مؤشر ستوكاستيك.
وجد أنه بالنسبة للأغلفة التي لا تحتوي على ذيل وعند ارتفاع درجة الحرارة، فإن الوقت المستغرق لعملية التغليف للبوليمرات المتعادلة يقل قليلا إلا أن هذه العملية تستغرق وقتا أطول للبوليمرات المشحونة. من جهة أخرى، فإن عملية الانطلاق تصبح بطيئة عند انخفاض درجة الحرارة للبوليمرات المتعادلة و المشحونة. إذا كان الغلاف الفيروسي يحتوي على ذيل فإن عملية التغليف تستغرق وقتا أقل سواء كان البوليمر مشحونا أولا عند ثبات درجة الحرارة ، أما عملية الانطلاق فتصبح بطيئة. وقد أظهرت الدراسة إن دينامية البوليمرات المشحونة لها أهمية خاصة، فقد تم ملاحظة أن عملية التغليف تصيح سهلة بوجود ذيل للغلاف عند ارتفاع درجة الحرارة، في حين خلال عملية الانطلاق فإن الكرات الأخيرة من البوليمر تصبح محصورة داخل ذيل الغلاف لفترة زمنية قبل أن تخرج منه.
فيما يخص محاكاة تجربة Hershey - Chase في الفيفو، فقد تم تمثيل الخلية البكتيرية بصندوق مرتبط مع غلاف الفيروس عن طريق الذيل. ثم تم اضافة بوليمر آخر ومحاكاته بمئة كرة صغيرة لتمثل المخزون الوراثي (الجينوم) الخاص بالبكتيريا و تم تقييده بمساحة محدودة داخل الصندوق البكتيري. بعد ذلك تم دراسة تأثير كل من كثافة البوليمر البكتيري وطول البوليمر الفيروسي (100 كرة و 80 كرة) ونوع البوليمر الفيروسي و البكتيري (مرن و شبه مرن) على عملية الانطلاق من الغلاف الفيروسي وإصابة الخلية البكتيرية.
بغض النظر لنوع البوليمر الفيروسي والبكتيري، فقد تم ملاحظة نقاظ توقف أثناء عملية الانطلاق. فلقد وجد غنذ كثافات معينة نقاط توقف استمرت لفترة زمنية طويلة وعند كثافات أخرى استمرت نقاط التوقف لفترة زمنية قصيرة جدا. تم تفسير ذلك عن طريق الأخذ بعين الاعتبار سلوك البوليمر الفيروسي أثناء انطلاقة من الغلاف واصابته للخلية البكتيرية. كما أظهرت الدراسة إن متوسط زمن الانطلاق الكلي من الغلاف لكل أنواع البوليمر للطولين (100 كرة و 80 كرة) تقريبا متساوي، إلا أنه ولبعض أنواع البوليمر فإن متوسط زمن الانطلاق الكلي البوليمر القصير أقل من البوليمر الطويل وهذا يتطابق مع نتائج أحدث التجارب العملية التي أجريت في الفيفو.
وجد أنه بالنسبة للأغلفة التي لا تحتوي على ذيل وعند ارتفاع درجة الحرارة، فإن الوقت المستغرق لعملية التغليف للبوليمرات المتعادلة يقل قليلا إلا أن هذه العملية تستغرق وقتا أطول للبوليمرات المشحونة. من جهة أخرى، فإن عملية الانطلاق تصبح بطيئة عند انخفاض درجة الحرارة للبوليمرات المتعادلة و المشحونة. إذا كان الغلاف الفيروسي يحتوي على ذيل فإن عملية التغليف تستغرق وقتا أقل سواء كان البوليمر مشحونا أولا عند ثبات درجة الحرارة ، أما عملية الانطلاق فتصبح بطيئة. وقد أظهرت الدراسة إن دينامية البوليمرات المشحونة لها أهمية خاصة، فقد تم ملاحظة أن عملية التغليف تصيح سهلة بوجود ذيل للغلاف عند ارتفاع درجة الحرارة، في حين خلال عملية الانطلاق فإن الكرات الأخيرة من البوليمر تصبح محصورة داخل ذيل الغلاف لفترة زمنية قبل أن تخرج منه.
فيما يخص محاكاة تجربة Hershey - Chase في الفيفو، فقد تم تمثيل الخلية البكتيرية بصندوق مرتبط مع غلاف الفيروس عن طريق الذيل. ثم تم اضافة بوليمر آخر ومحاكاته بمئة كرة صغيرة لتمثل المخزون الوراثي (الجينوم) الخاص بالبكتيريا و تم تقييده بمساحة محدودة داخل الصندوق البكتيري. بعد ذلك تم دراسة تأثير كل من كثافة البوليمر البكتيري وطول البوليمر الفيروسي (100 كرة و 80 كرة) ونوع البوليمر الفيروسي و البكتيري (مرن و شبه مرن) على عملية الانطلاق من الغلاف الفيروسي وإصابة الخلية البكتيرية.
بغض النظر لنوع البوليمر الفيروسي والبكتيري، فقد تم ملاحظة نقاظ توقف أثناء عملية الانطلاق. فلقد وجد غنذ كثافات معينة نقاط توقف استمرت لفترة زمنية طويلة وعند كثافات أخرى استمرت نقاط التوقف لفترة زمنية قصيرة جدا. تم تفسير ذلك عن طريق الأخذ بعين الاعتبار سلوك البوليمر الفيروسي أثناء انطلاقة من الغلاف واصابته للخلية البكتيرية. كما أظهرت الدراسة إن متوسط زمن الانطلاق الكلي من الغلاف لكل أنواع البوليمر للطولين (100 كرة و 80 كرة) تقريبا متساوي، إلا أنه ولبعض أنواع البوليمر فإن متوسط زمن الانطلاق الكلي البوليمر القصير أقل من البوليمر الطويل وهذا يتطابق مع نتائج أحدث التجارب العملية التي أجريت في الفيفو.
Category
Theses and Dissertations
File size
5.2 MB
0
0
