Quantum Diffusive Dynamics of Macromolecular Transitions

We study the role of quantum fluctuations of atomic nuclei in the real-time dynamics of non-equilibrium macro-molecular transitions. To this goal we introduce an extension of the Dominant Reaction Pathways (DRP) formalism, in which the quantum corrections to the classical overdamped Langevin dynamics are rigorously taken into account to order h^2 . We first illustrate our approach in simple cases, and compare with the results of the instanton theory. Then we apply our method to study the C7_eq to C7_ax transition of alanine dipeptide. We find that the inclusion of quantum fluctuations can significantly modify the reaction mechanism for peptides. For example, the energy difference which is overcome along the most probable pathway is reduced by as much as 50%.Comment: Final version, to appear in the Journal of Chemical Physic

Ab-initio Dynamics of Rare Thermally Activated Reactions

We introduce a framework to investigate ab-initio the dynamics of rare thermally activated reactions. The electronic degrees of freedom are described at the quantum-mechanical level in the Born-Oppenheimer approximation, while the nuclear degrees of freedom are coupled to a thermal bath, through a Langevin equation. This method is based on the path integral representation for the stochastic dynamics and yields the time evolution of both nuclear and electronic degrees of freedom, along the most probable reaction pathways, without spending computational time to explore metastable states. This approach is very efficient and allows to study thermally activated reactions which cannot be simulated using ab-initio molecular dynamics techniques. As a first illustrative application, we characterize the dominant pathway in the cyclobutene to butadiene reaction.Comment: 4 pages, 4 figure

Fluctuations in the Ensemble of Reaction Pathways

The dominant reaction pathway (DRP) is a rigorous framework to microscopically compute the most probable trajectories, in non-equilibrium transitions. In the low-temperature regime, such dominant pathways encode the information about the reaction mechanism and can be used to estimate non-equilibrium averages of arbitrary observables. On the other hand, at sufficiently high temperatures, the stochastic fluctuations around the dominant paths become important and have to be taken into account. In this work, we develop a technique to systematically include the effects of such stochastic fluctuations, to order k_B T. This method is used to compute the probability for a transition to take place through a specific reaction channel and to evaluate the reaction rate

All-atom simulations reveal how single point mutations promote serpin misfolding

Protein misfolding is implicated in many diseases, including the serpinopathies. For the canonical inhibitory serpin {\alpha}1-antitrypsin (A1AT), mutations can result in protein deficiencies leading to lung disease, and misfolded mutants can accumulate in hepatocytes leading to liver disease. Using all-atom simulations based on the recently developed Bias Functional algorithm we elucidate how wild-type A1AT folds and how the disease-associated S (Glu264Val) and Z (Glu342Lys) mutations lead to misfolding. The deleterious Z mutation disrupts folding at an early stage, while the relatively benign S mutant shows late stage minor misfolding. A number of suppressor mutations ameliorate the effects of the Z mutation and simulations on these mutants help to elucidate the relative roles of steric clashes and electrostatic interactions in Z misfolding. These results demonstrate a striking correlation between atomistic events and disease severity and shine light on the mechanisms driving chains away from their correct folding routes.Comment: Final version. Supplementary Information include

Investigating Biological Matter with Theoretical Nuclear Physics Methods

The internal dynamics of strongly interacting systems and that of biomolecules such as proteins display several important analogies, despite the huge difference in their characteristic energy and length scales. For example, in all such systems, collective excitations, cooperative transitions and phase transitions emerge as the result of the interplay of strong correlations with quantum or thermal fluctuations. In view of such an observation, some theoretical methods initially developed in the context of theoretical nuclear physics have been adapted to investigate the dynamics of biomolecules. In this talk, we review some of our recent studies performed along this direction. In particular, we discuss how the path integral formulation of the molecular dynamics allows to overcome some of the long-standing problems and limitations which emerge when simulating the protein folding dynamics at the atomistic level of detail.Comment: Prepared for the proceedings of the "XII Meeting on the Problems of Theoretical Nuclear Physics" (Cortona11

Variação espaço-temporal do ictioplâncton na Reserva Biológica Marinha so Arvoredo e entorno, Santa Catarina, Brasil

TCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro de Ciências Biológicas. Biologia.O ictioplâncton, composto pelos ovos e larvas de peixes teleósteos, é um componente muito importante do plâncton em termos econômicos, pois podem ser utilizados para a estimativa do potencial pesqueiro, períodos e locais de desova de espécies comercialmente importantes. O presente trabalho investigou a variação espaço-temporal do ictioplâncton em relação às condições oceanográficas na Reserva Biológica Marinha do Arvoredo (REBIO Arvoredo), Santa Catarina, e águas adjacentes. Foram realizadas sete estações oceanográficas no inverno de 2014 e verão de 2015, dispostas em dois transectos: um transecto perpendicular à costa (T1- 5 estações) iniciando na desembocadura do Rio Tijucas, passando pela REBIO Arvoredo (Calhau de São Pedro – CS e Ilha Deserta – ID) até a isóbata de 50 m, e outro transecto paralelo a costa (T2 - 2 estações + a mais profunda de T1) sobre a isóbata de 50 m. Parâmetros físicoquímicos foram registrados por um perfilador CTD e amostras de água foram coletadas em 3 profundidades com garrafa de Van Dorn para análise de nutrientes, material em suspensão e clorofila-a. O zooplâncton foi coletado no período diurno, na superfície, com rede cílindrico-cônica (200 μm/0,5 m Ø) e fluxômetro acoplado. Ovos e larvas foram classificadas de acordo com o estágio de desenvolvimento e identificadas até o menor nível taxonômico possível. Os períodos analisados foram influenciados por diferentes massas de água: Água Subtropical de Plataforma (ASTP); Pluma do Rio Tijucas (PRT); e águas do Canal Norte (CN) da Ilha de Santa Catarina no inverno, e no verão Água Tropical (AT), Água Central do Atlântico Sul (ACAS) e ASTP. A análise de componentes principais mostrou uma relação entre amostras com maior temperatura, principalmente na superfície, maior concentração de amônio e material em suspensão orgânico (MSO) no verão. No inverno foram relacionadas amostras com maior concentração de oxigênio dissolvido, material em suspensão inorgânico (MSI) e clorofila-a. A abundância média de ovos indicou maior desova no inverno (508,23 ovos∙100m-3) do que no verão (190,09 ovos∙100m-3), principalmente na estação em frente à desembocadura do RT. Ovos de Engraulidae foram encontrados somente no inverno em estágio de desenvolvimento avançado, com maior abundância próxima a ID. As larvas foram menos abundantes no inverno (6,87 larvas∙100m-3) do que no verão (55,87 larvas∙100m-3). No inverno foram encontradas mais larvas vitelinas no CS e ID, e no verão larvas em desenvolvimento avançado. A identificação larval resultou em 23 táxons pertencentes a 14 famílias e 4 ordens. Os táxons mais abundantes foram Eucinostomus spp., Seriola spp., Anisotremus spp e Cetengraulis edentulus. Alguns táxons foram frequentes apesar da baixa abundância média, como por exemplo, Harengula jaguana, Parona signata, Pomatomus saltatrix e Sciaenidae. Ocorreu uma separação das assembleias de larvas principalmente entre verão e inverno, com formação de três grupos: 1) composto apenas pelas amostras de inverno próximas a ID e a isóbata de 50 metros onde ocorreram apenas larvas de Sciaenidae; 2) composto pelas estações próximas ao CSP do inverno e desembocadura do RT do verão, ambas com a mesma composição, onde Engraulidae e Achiridae foram os táxons indicadores; 3) formado por todas as estações do verão do T1 (exceto a estação 10) e todas do T2, sendo Gerreidae o táxon indicador. A REBIO Arvoredo e entorno apresentou condições favoráveis para o desenvolvimento do ictioplâncton independente do período analisado. Processos oceanográficos com a intrusão da ACAS no verão e a drenagem continental no inverno promovem as condições necessárias para a reprodução dos peixes e o desenvolvimento larval na região. Por fim, os resultados reforçam a importância de estudos iniciais que estabeleçam uma base e o monitoramento continuo em áreas protegidas como a REBIO Arvoredo e região no entorno