محاسبه ضريب ديفيوژن آب و ليپيد از غشا دولايه‌اي بيولوژيكي به روش ديناميك ذره استهلاكي

Calculation the diffusion coefficient for water and lipid through the biological cell bilayer membranes using dissipative particle dynamics method

تعيين مقدار دقيق ضريب ديفيوژن يك ماده كه ميزان پخش آن ماده را در بستر ماده اي ديگر بيان مي كند، براي مدل سازي دقيق فيزيكي، شرط ضروري است. دقيق ترين روش براي محاسبه اين گونه خواص، روش هاي ديناميك مولكولي است. متاسفانه اين گونه روش ها هزينه محاسباتي بسيار بالايي دارند. هدف از اين مقاله، معرفي روشي مناسب در مقياس مزو و ارايه الگوريتمي بهينه براي محاسبه ضريب ديفيوژن با استفاده از اين روش است. در مطالعه حاضر، از روش ديناميك ذره استهلاكي(DPD)، براي محاسبه ضريب ديفيوژن آب و ليپيد از غشا دولايه‌اي بيولوژيكي استفاده شده‌است.در نهايت نتايج كار با نتايج شبيه سازي هاي ديناميك مولكولي و آزمايش هاي مورد ارزيابي و اعتبارسنجي قرار مي‌گيرند. با اين قياس خواهيم دانست روش مذكور علاوه بر بهينه بودن از نظر هزينه محاسباتي، از دقت مطلوبي نيز براي محاسبه ضريب ديفيوژن برخوردار است. لذا با اين روش، قادر خواهيم بود به مطالعه رفتار تعادلي غشا هاي دولايه‌اي نظير محاسبه ضريب ديفيوژن بپردازيم كه انجام آن با استفاده از روش‌هايي مثل ديناميك مولكولي ممكن است تا بيش از صدها برابر زمان‌بر باشد.

Precise ascertainment of the diffusion coefficient as the index of penetration of one species through another is essential for accurate physical modeling. The most precise and careful method for computation of these properties is Molecular Dynamics (MD). Unfortunately these methods have huge computational cost. The aim of this article is to introduce a suitable mesoscopic method and an efficient algorithm for calculating diffusion coefficientusing this method. In this study we use Dissipative Particle Dynamics (DPD) for calculating diffusion coefficient of the water and lipid through the biological bilayer membranes. Eventuallywe validate our results with MD simulation and also experimental results. Thenwe can conclude about this method that besides being efficient from point of computational cost, the proposed algorithm is an accurate method for calculating diffusion coefficient. Therefore using this method, we are able to study the equilibrium behavior of bilayer membranes like calculating diffusion coefficient which with Molecular Dynamics simulations, it maybe takes more than hundreds of times.