Trapping and transport of charges in DNA by mobile discrete breathers

Abstract

Аннотация. С использованием модели Пейрарда-Бишопа-Доксуа-Холстейна проведено численное моделирование захвата и транспорта заряда (электрона или дырки) в молекуле ДНК мобильными дискретными бризерами, возбуждаемыми начальными возмущениями скоростей или координат смежных нуклеотидных пар, дислоцированных около закрепленного конца молекулы. Показано, что эффективное образование стабильной квазичастицы «мобильный дискретный бризер + электрон» достигается при возмущении нескольких нуклеотидных пар, расположенных на конце молекулы. Бризеры могут быть возбуждены при возмущениях координат и скорости частиц как направленных к оси, так и от оси молекулы. Волновая функция электрона должна быть вначале локализована в области возмущения молекулы. Установлено, что метастабильная квазичастица может перемещаться на дистанцию до 200 межпарных расстояний. Описанный механизм транспорта заряженной частицы не требует наложения внешнего электрического поля и может рассматриваться как альтернативный поляронному механизму.Ключевые слова: нанобиоэлектроника, ДНК, мобильные дискретные бризеры, квазичастицы, модель Пейрарда-Бишопа-Доксуа-Холстейна. ВВЕДЕНИЕВ качестве одного из базовых элементов нанобиоэлектроники предполагается использовать молекулу ДНК [1][2][3][4]. Она рассматривается как разновидность молекулярной проволоки, обеспечивающей соединение различных элементов биомолекулярных цепей (теоретическое обоснование построения электронных логических элементов см., например, в [2, 4]). Но традиционный поляронный механизм переноса зарядов в ДНК [5-10] не является единственно возможным. В последнее время активно обсуждается механизм транспорта заряда, «эксплуатирующий» нелинейные свойства молекулы ДНК и не требующий для реализации наложения внешнего (тянущего) электрического поля [11,12]. Известно, что в цепочках элементов-осцилляторов различной природы нелинейность самих элементов, обеспечиваемая непараболичностью on-site потенциала, и нелинейность связи между элементами, в сочетании с дисперсией, являющейся следствием дискретности системы (цепочки связанных элементов), приводят к локализации возмущений цепочки. В зависимости от соотношения параметров, характеризующих нелинейность и дисперсию, локализованные возмущения могут быть солитонного или бризерного [13] типов. В частности, для «угловых» возмущений on-site потенциал отсутствует, поэтому формируются солитоны [14]. Однако транспорт заряда реализуется за счет связи

Dynamics of Holstein polaron in a chain with thermal fluctuations

“…For this reason different mechanisms of charge transfer with the use of nonlinear excitations are studied [54,60,61]. It has been found that a metastable quasi-particle may be transported at a distance up to 200 base pair [62,63] without an external electric field. Such mechanism may be considered as an alternative one to the polaron mechanism.…”

DNA Breathers and Cell Dynamics

“…It is a complex dynamic system consisting of many atoms and has a quasi-one-dimensional structure with specific symmetry, multiple degrees of freedom, and many types of movements and a special distribution of internal interactions [1]. These functions of DNA are discussed in some DNA models to investigate the relationship of structural-dynamic and functional properties of the molecule [2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13]. A comprehensive review on the DNA properties can be found in the work [14].…”

“…A comprehensive review on the DNA properties can be found in the work [14]. Various nonlinear excitations have been analyzed in DNA [8][9][10][11][12][13][14][15][16][17] in relation to charge transfer [8][9][10][11][12] or discrete breather excitation by external factors [13]. However, most of these studies do not take into account simultaneously the helicoidal geometry of DNA, damping effect and influence of external force.…”