Introduction to the Laboratories of Bio and Soft-matters 陳志強 中央研究院物理研究所...

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Introduction to the Laboratories of Bio and Soft-matters

陳志強中央研究院物理研究所

中央大學生物物理研究所

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Content

• Overview of Biophysics in Academia Sinica (15 min)

• Laboratory of Soft and Biomatter (30 min)

Effects of Conformations of DNA onsome Physical and Biological Problems

Communications in Excitable Networks

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Institute of PhysicsAcademia Sinica

• Theory / High Energy• Nano/Surface• Complexity

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Research Opportunities in Academia Sinica

• 李世炳 - System Biology• 梁鈞泰 - Flocking• 周家復 - Nano/Bio devices• 林耿慧 - Self-Assembly• 阮文滔 - Single molecule DNA• 陳彥龍 - Single DNA in Microfluidics• 李定國 - Protein folding• 胡進錕 - Protein folding, DNA and etc

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Laboratory of Bio and Softmatters

• Softmatter -- de Gennes in the 90s• Energy comparable to KT, many degree of

freedom (complexity)• Nonlinearity and Cooperativity

• Polymers - proteins, DNA• Networks - polymers, bio-chemical reactions, cells and neurons

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People Involved

陳志強 * 黎璧賢 ( 中大 )

賈魯強 ( 元培 )

• Lab: 519 (NCU)

Lab: 320 (Academia Sinica)

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Nonlinear Phenomena fromSoft-matters

Effects of Conformations of DNA onsome Physical and Biological Problems

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Turbulent Drag Reduction by Polymers

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Passive Drag Reduction Change of B.C.

Drag Reduction = less dissipation by turbulence

Shark Skin Swimming Suit Airplane Skin Coverage

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Trans-Alaska Pipeline (internal flow)

1287 Km5~25ppm Injected every 100Km25%DR up to D=1.2m

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Why DNA ?

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Structure of DNA

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Why DR with DNA ?

1.DNA is very long - can be much longer than

2. DNA processes secondary structure

- elastic properties different from polymers

3. Structure can be changed by pH or temperature

- Good probe for turbulence ?

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Setup

(1) Motor (2) Flexible couple ring (3) Torque sensor(4) Fluid container (5) Rotating disk

(1)

(2) (3)

(5)(4)

Lambda DNA

- Promega Corporation / U.S.A.

- Size: 48,502bp

- Commonly used substrate in

restriction enzyme activity assay.

- Storage: –20℃- Concentration of stock solution: 515

g/ml

Buffer solution

- 10mM tris-HCL (pH 7.8 at 25 ), ℃10mM NaCl and 1mM EDTA.

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Torque Measurement

The Shaft torque measurement for buffer solution and 1.35 wppm solution of lambda DNA in continuous mode rpm sweep at 25℃. (sweep rate;

20rpm/sec)

500 1000 1500 2000 25002,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

9,000

10,000

Date : 2000. 2. 23Sample : -DNA (1.35ppm)Apparatus : 370ml RDA

Temp.: 25oCRPM: 500~2500 RPMSweep rate : 20rpm/secN

RE=250000~1300000

Buffer solution DNA 1.35ppm

To

rqu

e

RPM

Torque Variation

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Only L/2 degradation

The electrophoresis result of lambda DNA after degradation for 1 hour at 1,980 rpm, 25℃.

Electrophoresis

23.1Kp

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Packing of DNA

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What is Spermidine?

J Biol Chem. 2004 Oct 1;279(40):42041-54. Epub 2004 Jul 28.

A,three phosphates adjacent from the samestrand of the major groove.

B, intrastrand across the major groove.

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Physiological role of polyamines

• First discovered in human seminal fluid

• Nucleic acid packaging, DNA replication

• Transcription and translation

• Ubiquitous in many cellular processes

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(N-[3-Aminopropyl]-1,4-butanediamine)

Trihydrochloride

C7H19N3·3HCl FW 254.6

Coil-to-Globule Transition in

duced by Spermidine (SPD)

NH3H3N NH2

NH3H3N N

H2

NH3H3N N

H2

Spermidine (SPD)

NH3H3N NH2

NH3H3N N

H2

NH3H3N N

H2

NH3H3N N

H2

NH3H3N N

H2

NH3H3N N

H2

Spermidine (SPD)

Poor Drag ReducerGood Drag Reducer

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Summary of DR

• Only a few %DR by improvement of wall properties

• a few ppm of additive of long chain polymers in turbulent flow can produce a max of 80% DR

• Polymers broken (degraded) by turbulence

• NO BASIC UNDERSTANDING YET !

• DNA might provide a good probe for turbulence

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Summary

• Many nonlinear effects induced by the conformation of DNA

• Turbulent Drag Reduction

• Coil-Globule Transition

• Structure and Packing of DNA

• Effect of conformation of the transcription of DNA

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Complexity from Bio-matters

Communications in Excitable Networks

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Life Cycle of Slime Mold

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Aggregation of dicty

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Chemotaxi and cAMP

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Waves of cAMP

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Periodic Motion of Cells

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The Physics of Excitable Systems

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What are excitable systems?

• Unstable state with respect to large perturbations

• Excitatory and Inhibitory states

• Examples:– BZ reactions– Slime molds– Heart muscles– Neurons

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Scaling in Slime Mould ?

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High density

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Low density

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Distribution of Slugs

- Culture with different densities

- Harvest after 36 hour

-Digital pictures

- Population Regulation self-similar shape V = A*L but A = aL

V = bA3/2

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Density dependence of Slug size

Upper critical size

Lower critical size

V ~ Alog(cr)V0

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Exponential Distribution at high density

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Power law distribution in low density?

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Leo Glass, Physics Today , Aug. 1996。

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Spiral Waves

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Spirals in Cardiac cell cultures

Lee et al PRL, 92, 198103, 2005

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Cardiac Cultures

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Early Beatings

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Synchronized Traveling Wave

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Cardiac-Neuron Co-culture

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Cardiac-Neuron Co-culture

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Cardiac-Neuron Co-culture

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Scale-free network

Poisson distribution

Exponential Network

Power-law distribution

Scale-free Network

AirlinesHighway

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Summary

• Biophysics Understanding of Biological Nonlinearity and Complexity in terms of Physical Principles

• Physics of Polymers and Networks of Excitable Systems

• DNA Slime Mould Heart Brains

• Both fundamental and applied problems

• NCU/Academia Sinica Best Combination in Taiwan