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Effects of the target aspect ratio and intrinsic reactivity onto diffusive search in bounded domains

  • Westudy the mean first passage time (MFPT) to a reaction event on a specific site in a cylindrical geometry—characteristic, for instance, for bacterial cells, with a concentric inner cylinder representing the nuclear region of the bacterial cell. Asimilar problem emerges in the description of a diffusive search by a transcription factor protein for a specific binding region on a single strand of DNA.We develop a unified theoretical approach to study the underlying boundary value problem which is based on a self-consistent approximation of the mixed boundary condition. Our approach permits us to derive explicit, novel, closed-form expressions for the MFPT valid for a generic setting with an arbitrary relation between the system parameters.Weanalyse this general result in the asymptotic limits appropriate for the above-mentioned biophysical problems. Our investigation reveals the crucial role of the target aspect ratio and of the intrinsic reactivity of the binding region, which were disregarded in previous studies. TheoreticalWestudy the mean first passage time (MFPT) to a reaction event on a specific site in a cylindrical geometry—characteristic, for instance, for bacterial cells, with a concentric inner cylinder representing the nuclear region of the bacterial cell. Asimilar problem emerges in the description of a diffusive search by a transcription factor protein for a specific binding region on a single strand of DNA.We develop a unified theoretical approach to study the underlying boundary value problem which is based on a self-consistent approximation of the mixed boundary condition. Our approach permits us to derive explicit, novel, closed-form expressions for the MFPT valid for a generic setting with an arbitrary relation between the system parameters.Weanalyse this general result in the asymptotic limits appropriate for the above-mentioned biophysical problems. Our investigation reveals the crucial role of the target aspect ratio and of the intrinsic reactivity of the binding region, which were disregarded in previous studies. Theoretical predictions are confirmed by numerical simulations.zeige mehrzeige weniger

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Verfasserangaben:Denis S. GrebenkovORCiD, Ralf MetzlerORCiDGND, Gleb OshaninORCiDGND
DOI:https://doi.org/10.1088/1367-2630/aa8ed9
ISSN:1367-2630
Titel des übergeordneten Werks (Englisch):New journal of physics
Verlag:IOP
Verlagsort:London
Publikationstyp:Wissenschaftlicher Artikel
Sprache:Englisch
Datum der Erstveröffentlichung:24.10.2017
Erscheinungsjahr:2017
Veröffentlichende Institution:Universität Potsdam
Datum der Freischaltung:16.11.2017
Freies Schlagwort / Tag:aspect ratio; cylindrical geometry; first passage time; protein search
Band:19
Erste Seite:1
Letzte Seite:11
Fördernde Institution:Universität Potsdam, Publikationsfonds
Fördernummer:PA 2017_54
Organisationseinheiten:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
DDC-Klassifikation:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Peer Review:Referiert
Fördermittelquelle:Publikationsfonds der Universität Potsdam
Publikationsweg:Open Access
Lizenz (Englisch):License LogoCreative Commons - Namensnennung 3.0 Unported
Externe Anmerkung:Zweitveröffentlichung in der Schriftenreihe Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe ; 391
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