Semiflexible slender filaments are ubiquitous in nature and cell biology, including in the cytoskeleton, where reorganization of actin filaments allows the cell to move and divide. Most methods for simulating semiflexible inextensible fibers/polymers are based on discrete (bead-link or blob-link) models, which become prohibitively expensive in the slender limit when hydrodynamics is accounted for. In this paper, we develop a novel coarse-grained approach for simulating fluctuating slender filaments with hydrodynamic interactions. Our approach is tailored to relatively stiff fibers whose persistence length is comparable to or larger than their length, and is based on three major contributions. First, we discretize the filament centerline using a coarse non-uniform Chebyshev grid, on which we formulate a discrete constrained Gibbs-Boltzmann equilibrium distribution and overdamped Langevin equation. Second, we define the hydrodynamic mobility at each point on the filament as an integral of the Rotne-Prager-Yamakawa kernel along the centerline, and apply a spectrally-accurate quadrature to accurately resolve the hydrodynamics. Third, we propose a novel midpoint temporal integrator which can correctly capture the Ito drift terms that arise in the overdamped Langevin equation. We verify that the equilibrium distribution for the Chebyshev grid is a good approximation of the blob-link one, and that our temporal integrator samples the equilibrium distribution for sufficiently small time steps. We also study the dynamics of relaxation of an initially straight filament, and find that as few as 12 Chebyshev nodes provides a good approximation to the dynamics while allowing a time step size two orders of magnitude larger than a resolved blob-link simulation. We conclude by studying how bending fluctuations aid the process of bundling in cross-linked networks of semiflexible fibers.


翻译:半刚性细长纤维在自然界和细胞生物学中无处不在,包括在细胞骨架中,其中肌动蛋白纤维的重组使细胞能够移动和分裂。大多数模拟半柔性不可伸缩纤维/聚合物的方法基于离散(珠子-连结或斑点-连结)模型,在考虑流体力学时在细长限制时变得极其昂贵。在本文中,我们发展了一种新的粗粒度方法,用于模拟具有水动力相互作用的振荡细长纤维。我们的方法适用于比其长度大或相当的持久长度较硬的纤维,基于三个重要贡献。首先,我们使用粗糙的非均匀Chebyshev网格将纤维中心线离散化,其中我们制定了离散约束Gibbs-Boltzmann平衡分布和过阻尼Langevin方程。其次,我们将纤维上每点的流体动力迁移定义为Rotne-Prager-Yamakawa内核沿中心线的积分,并应用具有谱精度的求积法来准确解析流体动力学。第三,我们提出了一种新颖的中点时间积分器,可以正确捕获过阻尼Langevin方程中出现的Ito漂移项。我们验证了Chebyshev网格的平衡分布是珠子-连接近似的好,而我们的时间积分器对于足够小的时间步长可以采样平衡分布。我们还研究了最初笔直纤维的松弛动力学,并发现只有12个Chebyshev节点即可提供良好的动力学近似,同时允许比解析的珠子-连接模拟高两个数量级的时间步长。我们最后研究了弯曲波动如何协助交联的半柔性纤维网络中的束缚过程。

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