Nonequilibrium dynamics of DNA unfolding

Abstract

In this thesis, the unfolding of DNA is used as a paradigm to address two topics in the field of the nonequilibrium thermodynamics of small systems. In the first project, a variety of systems is driven into a nonequilibrium steady state (NESS) to investigate whether these systems equilibrate with an effective temperature (see Chapter 4). The systems considered range from a colloidal particle in an optical trap to two-state and multiple-state DNA hairpins. For all systems, both experimental and theoretical results are available. The second project focuses on the feedback mechanism for the applied force in the DNA unfolding setup (see Chapter 5). Both experimental data and simulations are used to study the feedback-controlled dynamics, thus determining the set of feedback parameters for which the control of the force is optimized.

In dieser Doktorarbeit wurde die Entfaltung von DNA als Paradigma für die Betrachtung von zwei Themen in dem Feld der Nichtgleichgewichtsthermodynamik von kleinen Systemen benutzt. In dem ersten Projekt wurde eine Vielfalt von Systemen in einen stationären Nichtgleichgewichtszustand (NESS) getrieben, um zu untersuchen, ob diese Systeme mit einer effektiven Temperatur equilibrieren (siehe Kapitel 4). Dabei reichen die betrachteten Systeme von einem kolloidalen Teilchen in einer optischen Falle hin zu DNA-Hairpins mit zwei oder vielen Zuständen. Für alle Systeme sind sowohl experimentelle als auch theoretische Ergebnisse verfügbar. Das zweite Projekt betrachtet den Feedback-Mechanismus für die angewendete Kraft in dem DNA-Entfaltungssetup (siehe Kapitel 5). Mit Hilfe von experimentellen Daten und Simulationen wird hier die Feedback-kontrollierte Dynamik untersucht und damit die Feedback-Parameter, für die die Kontrolle der Kraft optimiert ist, bestimmt.