Zelfreplicatie binnen dissipatieve deeltjesdynamica
Een fenomeen dat heel wat wetenschappers in de informatica, fysica, biologie en ingenieurswetenschappen reeds decennia bezig houdt, is een proces waaraan ze hun eigen leven op aarde te danken hebben: zelfreplicatie. Algemeen gezien is het de mogelijkheid voor organismen, machines en programma’s om een kopie van zichzelf te maken. De natuur is er al lang mee bezig: genetisch materiaal en eiwitten kopiëren zich in elk levend wezen.
Het doel van deze thesis was om een computationele manier te ontwikkelen om zelfreplicatie te bestuderen. Daarbij baseerde men zich op een recente publicatie van Zeravcic en Brenner (2013), waarin zelfreplicatie werd computationeel onderzocht voor colloïdedeeltjes in een suspensie. Wanneer deze deeltjes elk een bepaald label meekrijgen en men hierop label-afhankelijke krachten laat inwerken, kan er structuurvorming optreden. In de paper werden structuren in de vorm van een octaëder besproken, die men, na toevoeging van enkele opgelegde eigenschappen, zichzelf kon laten kopiëren. In de geschreven thesis werd dit principe nagegaan en werd er naar een optimale manier gezocht om deze colloïdale zelfreplicatie te onderzoeken. Zo werd de recent ontwikkelde methode dissipatieve deeltjesdynamica (dewelke in de paper van Zeravcic en Brenner gebruikt wordt) vergeleken met moleculaire dynamica en een alternatieve methode gebaseerd op Langevindynamica. Hiervoor werd een code ontwikkeld waarin tetraëder- en octaëderstructuren in een fluïdum zichzelf kunnen kopiëren.
Daarnaast bestudeerde men de statistische fysica achter het zelfreplicatiesysteem. Wiskundig werd aangetoond dat het macroscopische zelfreplicatieproces een extra voorwaarde aan de tweede wet van de thermodynamica oplegt. Men gaat na of het ontwikkelde colloïdale zelfreplicatiesysteem hier ook aan voldoet en in welke mate dit verschilt voor de verschillende computationele methodes.
Uit het onderzoek bleek de Langevinmethode een goed alternatief voor de dissipatieve deeltjesdynamica. Zo is ze slechts een beetje minder accuraat, maar computationeel heel wat sneller. Zelfreplicatie gebeurde voor beide methoden even snel en aan de statistische formule werd telkens voldaan.
Bibliografie
[1] Zeravcic, Z. & Brenner M. P., Self-replicating Colloidal Clusters; Suppor- ting information. PNAS Direct Submission, 10.1073 (december 2013).[2] England, J. L., Statistical Physics of Self-replication. J. Chem. Phys. 139, 121923 (augustus 2013).[3] von Neumann, J., , The General and Logical Theory of Automata uit “Cerebral Mechanisms in Behavior,” Proc. Hixon Syrup., L. A. Jeffress, Wiley, New York, 1-31 (1951).[4] Sipper, M., Fifty Years of Research on Self-replication: An Overview. Artificial Life 7, 237-257 (1998).[5] Freitas, R. A. Jr. & Merkle, R.C., Kinematic Self-Replicating Machines. Landes Bioscience, Georgetown, Texas (2004).[6] Hoogerbrugge, P. J. & Koelman, J. M. V. A., Simulating Microscopic Hy- drodynamic Phenomena with Dissipative Particle Dynamics. Europhysics Letters, 19(3): 155-160 (1992).[7] Espan˜ol, P. & Warren, P. B., Statistical Mechanics of Dissipative Particle Dynamics. Europhysics Letters, 30(4): 191-196 (1995).[8] Mahnke, R., Kaupuzs, J. & Lubashevsky, I., Physics of Stochastic Pro- cesses. WILEY-VCH Verlag, Weinheim: 145-177 (2009).[9] Groot, R. D., & Warren, P. B., Dissipative Particle Dynamics: Bridging the Gap Between Atomistic and Mesoscopic Simulation. J. Chem. Phys., 107 (1997).[10] Jones, J. L., Lal, M., Ruddock, J. N. & Spenley, N. A., Dynamics of a Drop at a Liquid/Solid Interface in Simple Shear Fields : A Mesoscopic Simulation Study. Faraday Discuss. 112: 129-142 (1999).[11] Thijssen, J. M., Computational Physics. Cambridge University Press, Cambridge (2007).[12] Gould, H. & Tobochnik, J., Thermal and Statistical Physics. Princeton University Press, Princeton: 355-359 (2009).[13] McQuarrie, D. A., Statistical Mechanics. University Science Books, Sausalito, California: 236-237, 261-268, 452-456 (2000).[14] Groot, R. D., & Warren, P. B., Dissipative Particle Dynamics: A Use- ful Thermostat for Equilibrium and Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulations. Phys. Rev. E 68, 046702 (2003).[15] Rogge, S., Afleiding en implementatie van bewegingsvergelijkingen voor isotherme en isobare Moleculaire Dynamica simulaties. Centrum voor Moleculaire Modellering, UGent: 22-24 (juni 2014).[16] Crooks, G. E., Entropy Production Fluctuation Theorem and the None- quilibrium Work Relation for Free Energy Differences. Phys. Rev. E 60, 2721 (1999).[17] Petrucci, R. H., Herring F. G., Madura, J. D. & Bissonnette, C., General Chemistry. Pearson Canada, Toronto (2010).[18] Koelman, J. M. V. A. & Hoogerbrugge, P. J., Dynamic Simulations of Hard-Sphere Suspensions Under Steady Shear. Europhys. Lett. 21, 363 (1993).[19] Boek, E. S., Conveney, P. V., Lekkerkerker, H. N. W. & van der Schoot, P., Simulating the Rheology of Dense Colloidal Suspensions using Dissi- pative Particle Dynamics. Phys. Rev. E 55, 3124 (1997).[20] Whittle, M. & Dickinson, E., NOTE On Simulating Colloids by Dissi- pative Particle Dynamics: Issues and Complications. Journal of Colloid and Interface Science 242: 106-109 (2001).[21] Arkus, N., Manoharan, V. N. & Brenner, M. P., Minimal Energy Clusters of Hard Spheres with Short Range Attractions. Physical Review Letters 103(11): 118303. (2009).[22] Mirkin, C. A., Letsinger, R. L., Mucic, R. C. & Storhoff, J. J., A DNA- based Method for Rationally Assembling Nanoparticles into Macroscopic Materials. Nature 382(6592):607–609 (1996).[23] Sears & Zumansky, University Physics. Pearson: 440-442 (2008).[24] Poon, W. C. K., Weeks, W. R. & Royall, C. P., On Measuring Colloidal Volume Fractions. arXiv:1106.2566 [cond-mat.soft] (2011).[25] Munro, S., More Than One Way to Replicate the Golgi Apparatus. Nat Cell Biol 4(10):E223–E224 (2002).[26] Freitas, R. A., Jr., & Gilbreath, W. P. Advanced Automation for Space Missions: Proceedings of the 1980 NASA/ASEE summer study, chap- ter 5: Replicating Systems Concepts: Self-replicating Lunar Factory and Demonstration. NASA, Scientific and Technical Information Branch (Conference Publication 2255), Washington, Government Printing Office. (1982).
