\textit{Escherichia coli} is a rod-shaped bacterium of which structure is relatively simple, and is usually found in the large intestine. A ring-shaped chromosome of \textit{E. coli} is strongly confined in a small cell, and does not have a sophisticated structure like an eukaryotic cell. This system can be described by the ring-shaped polymer confined in a cylinder. The mechanical properties of the chromosome of \textit{E. coli} have been reported in many studies. Recently, some attempts are made by researchers to explain living phenomena in \textit{E. coli} by the thermodynamic forces caused by the polymer nature of DNA as well as the functions of proteins. This thesis is devoted to understanding the living phenomena in the \textit{E. coli} chromosome as a ring polymer confined in a cylinder. In the first part of this thesis, we investigated the dynamics of a ring chain confined in a cylindrical pore using molecular dynamics simulations. Although the dynamics of the linear chain under confinements is well understood, it is not certain whether the dyanmics of the linear chain can be applied to the ring chain. In our study, we found that the topological constraints of the ring polymer do not influence on the qualitative dynamics where the ring chain is confined in a narrow cylindrical pore, and the ring chain and the linear chain follow the same interpretation of the chain conformations in cylindrical confinements. Furthermore, we proposed the picture that the ring chain confined in a narrow cylindrical pore can be considered as two independent linear subchains, and these two subchains act as confinements to each other in the athermal condition by occupying the half of the volume of the cylinder divided along the long axis of the cylinder. The rescaled results by this picture are in quantitative agreement with the results of the linear chain, which means that the dynamics of the ring chain under such confinements directly corresponds to the linear chain. The chromosome of \textit{E. coli} has the unique spatial organization, but the origin of the force that makes this spatial organization and the local structure of the chromosome are still unclarified. In the second part of this thesis, we explained the local and the grobal spatial organization of the \textit{E. coli} chromosome by the entropic force made by the ring diblock copolymer model and the concentric shell. The difference in the degrees of condensation of the chromosome parts is represented by the different sizes of the monomers in the copolymer, and the mobility difference of the chrmosome parts is realized in simulations by the concentric shell method. In our simulations based on the real parameters of the \textit{E. coli} cells, the entropic forces reproduce the characteristic spatial organization of the \textit{E. coli} chromosome well. Also, we proposed the local structure of the chromosome using the concept of the compression blob of the polymer. In addition, we simply explained the bimodal distributions of the \textit{ter}-proximate loci by introducing some randomness in our coarse-grained polymer model. The last part of this thesis deals with the investigation of the dynamics of the linear chain confined in a cylindrical pore with some cross-linking agents. In our study about the spatial organization of the \textit{E. coli} chromosome mentioned above, the dynamic properties of the chromosome as a confined polymer remained unsolved. The stiffness of the real chromosome in \textit{E. coli} is far larger than the stiffness predicted by the polymer theory which assumes the chromosome as a flexible linear chain, because the structure of the chromosome may be influenced by the nucleoid-associated proteins. We checked that the stiffness of the cross-linked polymer confined in a cylindrical pore increases as the number of the cross-linking agents increases. To systematically analyze the effect of the crosslinker on the stiffness of the polymer, we proposed the picture that the cross-linked chain confined in a cylindrical pore can be divided into the ``main`` and the ``minor`` chains. This picture well explained the results of simulations where the diameter of the cylinder and the number of the crosslinkers are small.

이콜라이는 비교적 간단한 구조를 가지는 원핵생물로, 주로 대장에 산다. 이콜라이의 원형 염색체는 염색체에 비해 작은 크기의 세포 안에 강하게 속박되어 있으며, 진핵생물같은 고등 구조가 없다. 이는 관 안에 속박된 폴리머 모델로 설명될 수 있으며, 많은 연구에서 이콜라이 염색체의 물리적 성질을 다루어 왔고, 최근 이콜라이의 생명 현상을 특정 단백질의 기능 뿐만이 아닌 DNA의 폴리머로서의 성질에서 기인한 열역학적 힘으로 설명하려는 시도가 이루어지고 있다. 본 학위논문에서는, 이콜라이의 염색체를 관 안에 가두어진 원형 폴리머로 보아 이콜라이의 생명 현상을 이해하고자 한다. 먼저, 우리는 고분자 물리학의 관점에서 관 안에 속박된 원형 폴리머의 동역학을 연구하였다. 관 안에 속박된 선형 폴리머의 동역학에 대해서는 이미 잘 알려져 있지만, 선형 폴리머의 해석을 원형 폴리머에 적용할 수 있는지에 대해서는 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 원형 폴리머의 위상학적 제약 조건이 좁은 관 안에서 영향을 주지 못함을 밝혔으며, 관 안에서 원형 폴리머는 선형 폴리머와 정성적으로 동일한 동역학적 특성을 가지고 있음을 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 관찰하였다. 더 나아가, 관 안에 길게 나열되어 있는 원형 폴리머는 독립된 두 개의 선형 부 폴리머로 나누어 생각할 수 있으며, 무열 용액의 환경에서 이러한 두개의 선형 부 폴리머가 관의 공간을 절반씩 점유한다는 관점을 도입하여, 관 안에서 원형 폴리머의 동역학과 선형 폴리머의 동역학을 정확히 대응시켰다. 이콜라이 염색체는 특징적인 공간적 구조를 가지는데, 이러한 공간적 구조를 만드는 힘의 원천에 대해서는 밝혀진 바 없다. 본 연구에서는 실린더 안에 가두어진 두 개의 블록을 가지는 원형 코폴리머 모델을 이용하여 염색체의 공간적 구조를 만드는 힘의 원천을 엔트로피 힘으로 설명하였다. 이콜라이 염색체의 응축 정도의 차이는 코폴리머의 모노머 크기의 차이로 나타냈고, 염색체의 응축 정도에 따른 이동성 차이는 동심 실린더 모델을 이용하여 구현하였다. 이콜라이의 실제 환경을 수치적으로 잘 모사한 우리의 시뮬레이션에서, 폴리머 부위의 이동성 차이에 의한 엔트로피 힘은 이콜라이 염색체의 특징적인 공간적 구조와 정적인 특성을 완벽하게 재현하였다. 또한 이콜라이 염색체의 정적인 특성을 압축된 폴리머의 블랍 개념을 이용하여 설명하였다. 물리적 모델의 응용으로서, 디앤에이의 복제 종점 부근의 양극성 공간 분포를, 약간의 무작위성을 모델에 더하는 것으로 간단히 설명했다. 마지막으로, 관 안에 가두어진 선형 폴리머에 약간의 무작위한 교차결합을 만들었을 때 폴리머의 동역학적 성질의 변화를 관찰하였다. 위의 이콜라이 염색체의 공간 분포 연구에서, 제시된 두 개의 블록을 가진 코폴리머 모델은 이콜라이 염색체의 동역학적인 성질을 재현해내지 못했다. 실제 이콜라이의 염색체는 우리의 시뮬레이션 결과보다 훨씬 뻣뻣한 성질을 가지고 있다. 이것은 염색체에 교차결합을 만드는 단백질들의 영향 때문으로 알려져 있다. 본 연구에서는 선형 폴리머의 뻣뻣함이 교차결합의 갯수에 따라 늘어나는 것을 관측하였다. 이러한 현상을 체계적으로 설명하기 위해, 폴리머를 동역학에 주된 영향을 미칠 것으로 예상되는 주-사슬과 간접적인 영향을 미칠것으로 예상되는 부-사슬로 나누는 설명을 제안하였다. 이 관점은 관의 짧은 폴리머에서 관의 직경이 작고 크로스링커의 갯수가 적은 경우 시뮬레이션 결과를 잘 설명한다.