Techn. University, Diss., 2000--Berlin.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2009

Stuttgart, Univ., Diss., 2003.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

The DNA contained in every living cell not only stores the genetic information; it functions in a complex molecular network that can condense, transcribe, replicate and repair genes. The essential role played by the sequence dependent structure and deformability of DNA in these basic processes of life, has received increasing attention over the past years. The present work aims at better understanding sequence dependent elasticity of double stranded DNA elasticity, across biologically relevant length scales. A theoretical description is developed that makes is possible to relate structural, biochemical and biophysical experiments and simulation. It is based on the rigid base–pair chain (rbc) model which captures all basic deformation modes on the scale of individual base–pair (bp) steps. Existing microscopic parametrizations of the rbc model rely on indirect methods. A way to relate them to biochemical experiments is provided by the indirect readout mechanism, where DNA elasticity determines protein–DNA complexation affinities. By correlating theoretical affinity predictions with in vitro measurements in a well–studied test case, different parameter sets were evaluated. As a result a new, hybrid parameter set is proposed which greatly reduces prediction errors. Indirect readout occurs mostly at particular binding subsites in a complex. A statistical marker is developed which localizes indirect readout subsites, by detecting elastically optimized sub-sequences. By a systematic coarse–graining of the rbc to the well–characterized worm–like chain (wlc) model, a quantitative connection between microscopic and kbp scale elasticity is established. The general helical rbc geometry is mapped to an effective, linear ‘on-axis’ version, yielding the full set of wlc elastic parameters for any given sequence repeat. In the random sequence case, structural variability adds conformational fluctuations which are correlated by sequence continuity. The sequence disorder correction to entropic elasticity in the rbc model is shown to coincide with the conformational correction. The results show remarkable overall agree- ment of the coarse–grained with the mesoscale wlc parameters, lending support to the model and to the microscopic parameter sets. A continuum version of the rbc is formulated as Brownian motion on the rigid motion group. Analytic expressions for angular correlation functions and moments of the end–to–end distance distribution are given. In an equivalent Lagrangian approach, conserved quantities along, and the linear response around, a general equilibrium shape are explored. / Die in jeder lebenden Zelle enthaltene DNS speichert nicht nur die genetische Information; Sie funktioniert innerhalb eines komplexen molekularen Netzwerks, das in der Lage ist, Gene zu kondensieren, transkribieren, replizieren und reparieren. Die zentrale Rolle, welche der sequenzabhängigen Struktur und Deformierbarkeit von DNS in diesen grundlegenden Lebensprozessen zukommt, erregte in den letzten Jahren zunehmendes Interesse. Die vorliegende Arbeit hat ein besseres Verständnis der sequenzabhängigen elastischen Eigenschaften von DNS auf biologisch relevanten Längenskalen zum Ziel. Es wird eine theoretische Beschreibung entwickelt, die es ermöglicht, strukturbiologische, biochemische und biophysikalische Experimente und Simulationen in Beziehung zu setzen. Diese baut auf dem Modell einer Kette aus starren Basenpaaren (rbc) auf, das alle wichtigen Deformationsmoden von DNS auf der Ebene von einzelnen Basenpaar (bp)–Schritten abbildet. Bestehende Parametersätze des rbc-Modells beruhen auf indirekten Methoden. Eine direkte Beziehung zu biochemischen Experimenten kann mithilfe des indirekten Auslese-Mechanismus hergestellt werden. Hierbei bestimmt die DNS– Elastizität Komplexierungsaffinitäten von Protein–DNS–Komplexen. Durch eine Korrelation von theoretischen Vorhersagen mit in vitro Messungen in einem gut untersuchten Beispielfall werden verschiedene Parametersätze bewertet. Als Resultat wird ein neuer Hybrid–Parametersatz vorgeschlagen, der die Vorhersagefehler stark reduziert. Indirektes Auslesen tritt meistens an speziellen Teilbindungsstellen innerhalb eines Komplexes auf. Es wird eine statistische Kenngröße entwickelt, die indirektes Auslesen durch Detektion elastisch optimierter Subsequenzen erkennt. Durch ein systematisches Coarse–Graining des rbc-Modells auf das gut charakterisierte Modell der wurmartigen Kette (wlc) wird eine quantitative Beziehung zwischen der mikroskopischen und der Elastizität auf einer kbp-Skala hergestellt. Die allgemeine helikale Geometrie wird auf eine effektive, lineare Version der Kette ‘auf der Achse’ abgebildet. Dies führt zur Berechnung des vollen Satzes von wlc-elastischen Parameters für eine beliebig vorgegebene periodische Sequenz. Im Fall zufälliger Sequenz führt die Strukturvariabilität zu zusätzlichen Konformationsfluktuationen, die durch die Kontinuität der Sequenz kurzreichweitig korreliert sind. Es wird gezeigt, daß die Sequenzunordnungs-Korrektur zur entropischen Elastizität im rbc-Modell identisch ist zur Korrektur der Konformationsstatistik. Die Ergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung der hochskalierten mikroskopischen mit den mesoskopischen wlc-Parameter und bestätigen so die Wahl des Modells und seiner mikroskopischen Parametrisierung. Eine Kontinuumsversion des rbc-Modells wird formuliert als Brownsche Bewegung auf der Gruppe der Starrkörpertransformationen. Analytische Ausdrücke für Winkelkorrelationsfunktionen und Momente der Verteilung des End-zu-End–Vektors werden angegeben. In einem äquivalenten Lagrange-Formalismus werden Erhaltungsgrößen entlang von Gleichgewichtskonformationen und die lineare Antwort in ihrer Umgebung untersucht.

Es werden physikallische Eigenschaften von Quasikristallen anhand von quasiperiodischen Ising- und Tight-Binding-Modellen auf dem fuenfzaehligen Penrose- und achtzaehligen Amman-Beenker-Muster untersucht. Bei den Ising-Modellen wird eine graphische Hochtemperaturentwicklung der freien Energie ausgerechnet und die kritischen Parameter des ferromagnetischen Phasenueberganges abgeschaetzt. Weiterhin wird mittels eines analytischen Resultates die freie Energie auf den periodischen Approximanten quasiperiodischer Muster exakt ausgerechnet und zur Bestimmung der Verteilung komplexer (Fisher-)Nullstellen herangezogen. Letztendlich wird noch ein Ising-Modell mit einem verschiedenen, nicht-Onsager kritischen Verhalten konstruiert und untersucht. Im zweiten Kapitel werden kritische, nichtnormierbare Eigenzustaende eines quasiperiodischen Tight-Binding-Modells exakt berechnet. Es stellt sich heraus, dass die Eigenzustaende eine selbstaehnliche, fraktale Struktur aufweisen die in Details untersucht wird.

The DNA contained in every living cell not only stores the genetic information; it functions in a complex molecular network that can condense, transcribe, replicate and repair genes. The essential role played by the sequence dependent structure and deformability of DNA in these basic processes of life, has received increasing attention over the past years. The present work aims at better understanding sequence dependent elasticity of double stranded DNA elasticity, across biologically relevant length scales. A theoretical description is developed that makes is possible to relate structural, biochemical and biophysical experiments and simulation. It is based on the rigid base–pair chain (rbc) model which captures all basic deformation modes on the scale of individual base–pair (bp) steps. Existing microscopic parametrizations of the rbc model rely on indirect methods. A way to relate them to biochemical experiments is provided by the indirect readout mechanism, where DNA elasticity determines protein–DNA complexation affinities. By correlating theoretical affinity predictions with in vitro measurements in a well–studied test case, different parameter sets were evaluated. As a result a new, hybrid parameter set is proposed which greatly reduces prediction errors. Indirect readout occurs mostly at particular binding subsites in a complex. A statistical marker is developed which localizes indirect readout subsites, by detecting elastically optimized sub-sequences. By a systematic coarse–graining of the rbc to the well–characterized worm–like chain (wlc) model, a quantitative connection between microscopic and kbp scale elasticity is established. The general helical rbc geometry is mapped to an effective, linear ‘on-axis’ version, yielding the full set of wlc elastic parameters for any given sequence repeat. In the random sequence case, structural variability adds conformational fluctuations which are correlated by sequence continuity. The sequence disorder correction to entropic elasticity in the rbc model is shown to coincide with the conformational correction. The results show remarkable overall agree- ment of the coarse–grained with the mesoscale wlc parameters, lending support to the model and to the microscopic parameter sets. A continuum version of the rbc is formulated as Brownian motion on the rigid motion group. Analytic expressions for angular correlation functions and moments of the end–to–end distance distribution are given. In an equivalent Lagrangian approach, conserved quantities along, and the linear response around, a general equilibrium shape are explored. / Die in jeder lebenden Zelle enthaltene DNS speichert nicht nur die genetische Information; Sie funktioniert innerhalb eines komplexen molekularen Netzwerks, das in der Lage ist, Gene zu kondensieren, transkribieren, replizieren und reparieren. Die zentrale Rolle, welche der sequenzabhängigen Struktur und Deformierbarkeit von DNS in diesen grundlegenden Lebensprozessen zukommt, erregte in den letzten Jahren zunehmendes Interesse. Die vorliegende Arbeit hat ein besseres Verständnis der sequenzabhängigen elastischen Eigenschaften von DNS auf biologisch relevanten Längenskalen zum Ziel. Es wird eine theoretische Beschreibung entwickelt, die es ermöglicht, strukturbiologische, biochemische und biophysikalische Experimente und Simulationen in Beziehung zu setzen. Diese baut auf dem Modell einer Kette aus starren Basenpaaren (rbc) auf, das alle wichtigen Deformationsmoden von DNS auf der Ebene von einzelnen Basenpaar (bp)–Schritten abbildet. Bestehende Parametersätze des rbc-Modells beruhen auf indirekten Methoden. Eine direkte Beziehung zu biochemischen Experimenten kann mithilfe des indirekten Auslese-Mechanismus hergestellt werden. Hierbei bestimmt die DNS– Elastizität Komplexierungsaffinitäten von Protein–DNS–Komplexen. Durch eine Korrelation von theoretischen Vorhersagen mit in vitro Messungen in einem gut untersuchten Beispielfall werden verschiedene Parametersätze bewertet. Als Resultat wird ein neuer Hybrid–Parametersatz vorgeschlagen, der die Vorhersagefehler stark reduziert. Indirektes Auslesen tritt meistens an speziellen Teilbindungsstellen innerhalb eines Komplexes auf. Es wird eine statistische Kenngröße entwickelt, die indirektes Auslesen durch Detektion elastisch optimierter Subsequenzen erkennt. Durch ein systematisches Coarse–Graining des rbc-Modells auf das gut charakterisierte Modell der wurmartigen Kette (wlc) wird eine quantitative Beziehung zwischen der mikroskopischen und der Elastizität auf einer kbp-Skala hergestellt. Die allgemeine helikale Geometrie wird auf eine effektive, lineare Version der Kette ‘auf der Achse’ abgebildet. Dies führt zur Berechnung des vollen Satzes von wlc-elastischen Parameters für eine beliebig vorgegebene periodische Sequenz. Im Fall zufälliger Sequenz führt die Strukturvariabilität zu zusätzlichen Konformationsfluktuationen, die durch die Kontinuität der Sequenz kurzreichweitig korreliert sind. Es wird gezeigt, daß die Sequenzunordnungs-Korrektur zur entropischen Elastizität im rbc-Modell identisch ist zur Korrektur der Konformationsstatistik. Die Ergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung der hochskalierten mikroskopischen mit den mesoskopischen wlc-Parameter und bestätigen so die Wahl des Modells und seiner mikroskopischen Parametrisierung. Eine Kontinuumsversion des rbc-Modells wird formuliert als Brownsche Bewegung auf der Gruppe der Starrkörpertransformationen. Analytische Ausdrücke für Winkelkorrelationsfunktionen und Momente der Verteilung des End-zu-End–Vektors werden angegeben. In einem äquivalenten Lagrange-Formalismus werden Erhaltungsgrößen entlang von Gleichgewichtskonformationen und die lineare Antwort in ihrer Umgebung untersucht.

Cellular decision-making help cells to infer functionally different phenotypes in response to microenvironmental cues and noise present in the system and the environment, with or without genetic change. In Cellular Biology, there exists a list of open questions such as, how individual cell decisions influence the dynamics at the population level (an organization of indistinguishable cells) and at the tissue level (a group of nearly identical cells and their corresponding extracellular matrix which simultaneously accomplish a set of biological operations)? As collective cell migration originates from local cellular orientation decisions, can one generate a mathematical model for collective cell migration phenomena without elusive undiscovered biophysical/biochemical mechanisms and further predict the pattern formations which originates inside the collective cell migration? how optimal microenvironmental sensing is related to differentiated tissue at the spatial scale ? How cell sensing radius and total entropy production (which precisely helps us to understand the operating regimes where cells can take decisions about their future fate) is correlated, and how can one understand the limits of sensing radius at robust tissue development ? To partially tackle these sets of questions, the LEUP (Least microEnvironmental Uncertainty Principle) hypothesis has been applied to different biological scenaros. At first, the LEUP has been enforced to understand the spatio-temporal behavior of a tissue exhibiting phenotypic plasticity (it is a prototype of cell decision-making). Here, two cases have been rigorously studied i.e., migration/resting and migration/proliferation plasticity which underlie the epithelial-mesenchymal transition (EMT) and the Go-or-Grow dichotomy. On the one hand, for the Go-or-Rest plasticity, a bistable switching mechanism between a diffusive (fluid) and an epithelial (solid) tissue phase has been observed from an analogous mean-field approximation which further depends on the sensitivity of the phenotypes to the microenvironment. However, on the other hand, for the Go-or-Grow plasticity, the possibility of Turing pattern formation is inspected for the “solid” tissue phase and its relation to the parameters of the LEUP-driven cell decisions. Later, LEUP hypothesis has been suggested in the area of collective cell migration such that it can provide a tool for a generative mathematical model of collective migration without precise knowledge about the mechanistic details, where the famous Vicsek model is a special case. In this generative model of collective cell migration, the origin of pattern formation inside collective cell migration has been investigated. Moreover, this hypothesis helps to construct a mathematical model for the collective behavior of spherical \textit{Serratia marcescens} bacteria, where the basic understanding of migration mechanisms remain unknown. Furthermore, LEUP has been applied to understand tissue robustness, which in turn shows the way how progenitor cell fate decisions are associated with environmental sensing. The regulation of environmental sensing drives the robustness of the spatial and temporal order in which cells are generated towards a fully differentiating tissue, which are verified later with the experimental data. LEUP driven stochastic thermodynamic formalism also shows that the thermodynamic robustness of differentiated tissues depends on cell metabolism, cell sensing properties and the limits of the cell sensing radius, which further ensures the robustness of differentiated tissue spatial order. Finally, all important results of the thesis have been encapsulated and the extension of the LEUP has been discussed.:Contents Statement of authorship vii Abstract ix I. Introduction to cell decision-making 1 1. What is cell decision-making ? 3 1.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2. Examplesofcelldecision-making. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.1. PhenotypicPlasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.2. Cellularmigration:orientationdecisions . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.3. Celldifferentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3. Challengesandopenquestions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.4. Solutionstrategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5. Structureofthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 II. Least microEnvironmental Uncertainty Principle (LEUP) 11 2. Least microEnvironmental Uncertainty Principle (LEUP) 13 2.1. HypothesisbehindLEUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2. Mathematicalformulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1. CellasBayesiandecisionmaker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.2. VariationalprincipleforLEUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 III. LEUP in biological problems 17 3. Phenotypic plasticity : dynamics at the level of tissue from individual cell decisions 19 3.1. Mathematicalframework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2. Individualbasedmodel(IBM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3. Mean-fieldapproximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.3.1. Phenotypicswitchingdynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3.2. Cellmigrationdynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.3.3. Superpositionofphenotypicswitchingdynamicsandcellmi- gration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4. Spatio-temporaldynamicsofcellmigration/proliferationplasticity . . 28 3.4.1. CaseI:Largeinteractionradius . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.4.2. CaseII:Finiteinteractionradius . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4.3. Phenotypicswitchingdynamicsintheabsenceofmicroenvi- ronmentalsensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.5. Summaryandoutlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4. Cellular orientation decisions: origin of pattern formations in collective cell migrations 39 4.1. Mathematicalframework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.1.1. Self-propelledparticlemodelwithleupbaseddecision-making 41 4.1.2. Orderparametersandobservables . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.1.3. Statisticaltest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2. ComparisonwithVicsekmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.1. Patternsindifferentparameterregimes . . . . . . . . . . . . . 45 4.3. Application:thesphericalbacteriacase. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.4. Summaryandoutlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5. Cell differentiation and sensing: tissue robustness from optimal environ- mental sensing 53 5.1. LEUPbasedmathematicalmodelforcelldifferentiation . . . . . . . . 56 5.1.1. StatisticalresultsfromLEUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.2. RelationbetweenLEUPandcellsensing . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.3. LEUPdrivenfluctuationtheorem: confirmsthethermodynamicro- bustnessofdifferentiatedtissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.3.1. Application: differentiated photoreceptor mosaics are ther- modynamicallyrobust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.4. Thelimitforcellsensingradius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.4.1. Application:Theaveragesensingradiusoftheavianconecell 69 5.5. Summaryandoutlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6. Discussions 75 7. Supplementary Material 91 8. Erklärung 115

Ziel dieser Arbeit ist zunächst die Entwicklung einer Vergleichsgrundlage, auf Basis derer Algorithmen zur Berechnung der Zustandsdichte verglichen werden können. Darauf aufbauend wird ein bestehendes übergangsmatrixbasiertes Verfahren für das großkanonisch Ensemble um ein neues Auswerteverfahren erweitert. Dazu werden numerische Untersuchungen verschiedener Monte-Carlo-Algorithmen zur Berechnung der Zustandsdichte durchgeführt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf Verfahren, die auf Übergangsmatrizen basieren, sowie auf dem Verfahren von Wang und Landau. Im ersten Teil der Forschungsarbeit wird ein umfassender Überblick über Monte-Carlo-Methoden und Auswerteverfahren zur Bestimmung der Zustandsdichte sowie über verwandte Verfahren gegeben. Außerdem werden verschiedene Methoden zur Berechnung der Zustandsdichte aus Übergangsmatrizen vorgestellt und diskutiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine neue Vergleichsgrundlage für Algorithmen zur Bestimmung der Zustandsdichte erarbeitet. Dazu wird ein neues Modellsystem entwickelt, an dem verschiedene Parameter frei gewählt werden können und für das die exakte Zustandsdichte sowie die exakte Übergangsmatrix bekannt sind. Anschließend werden zwei weitere Systeme diskutiert für welche zumindest die exakte Zustandsdichte bekannt ist: das Ising Modell und das Lennard-Jones System. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit numerischen Untersuchungen an einer Auswahl der vorgestellten Verfahren. Auf Basis der entwickelten Vergleichsgrundlage wird der Einfluss verschiedener Parameter auf die Qualität der berechneten Zustandsdichte quantitativ bestimmt. Es wird gezeigt, dass Übergangsmatrizen in Simulationen mit Wang-Landau-Verfahren eine wesentlich bessere Zustandsdichte liefern als das Verfahren selbst. Anschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse genutzt um ein neues Verfahren zu entwickeln mit welchem die Zustandsdichte mittels Minimierung der Abweichungen des detaillierten Gleichgewichts aus großen, dünnbesetzten Übergangsmatrizen gewonnen werden kann. Im Anschluss wird ein Lennard-Jones-System im großkanonischen Ensemble untersucht. Es wird gezeigt, dass durch das neue Verfahren Zustandsdichte und Dampfdruckkurve bestimmt werden können, welche qualitativ mit Referenzdaten übereinstimmen.