In tegenstelling tot de harde plastic modellen uit de scheikundeles, echte ketens van moleculen kunnen buigen en uitrekken, als kralen aan een elastisch koord. Sommige polymeren, zoals DNA, zijn bijzonder rekbaar, een eigenschap die pogingen om hun gedrag te modelleren, kan bemoeilijken.

Sinds het baanbrekende werk van Paul Flory, onderzoekers hebben verschillende formules ontwikkeld voor het berekenen van de afstand tussen de uiteinden van een gebogen polymeer. Echter, deze formules hebben doorgaans geen rekening gehouden met de rekbaarheid van het molecuul. In een nieuwe studie, deze week gepubliceerd in The Journal of Chemical Physics , wetenschappers hebben een formule afgeleid om de end-to-end afstand van een semiflexibel polymeer te bepalen, inclusief DNA of RNA, rekening houdend met hoeveel het polymeer uitrekt.

Eerdere schattingen van hoe polymeren buigen, hielden geen rekening met hoe het molecuul in drie dimensies beweegt. "Deze methode om de contourlengteverdeling te berekenen is strenger, " zei Xi Zhang van Wuhan University en hoofdauteur van het artikel. "We kunnen niet alleen de end-to-end afstand berekenen, we kunnen ook de vorm van het polymeer achterhalen."

Door de rekbaarheid van het polymeer op te nemen, de nieuwe formule kan onderzoekers helpen de flexibiliteit van DNA-segmenten in te schatten, een eigenschap waarvan bekend is dat deze essentieel is voor zijn biologische functie. De flexibiliteit van DNA heeft invloed op de binding van regulerende eiwitten en hoe het DNA zich om histonen wikkelt, eiwitten die als spoelen werken om het DNA netjes verpakt in een kern te houden. De specifieke manieren waarop DNA buigt en zich om histonen wikkelt, kunnen de genexpressie beïnvloeden door bepaalde genen aan de buitenkant bloot te stellen, terwijl anderen weggestopt blijven.

De onderzoekers bouwden voort op het fundament van het wormachtige kettingmodel, die semiflexibele polymeren zoals DNA en RNA als schakels in een keten behandelt. Met behulp van uitgebreide Monte Carlo-simulaties, ze valideerden hun formule op een breed scala aan waarden voor rekbaarheid en flexibiliteit. Ze gebruikten ook moleculaire dynamica-simulaties, welk model hoe moleculen bewegen en interageren in de tijd, om ervoor te zorgen dat ze vergelijkbare resultaten behaalden met hun methode voor korte DNA- en RNA-polymeren.

Dit type formule is rekenkundig efficiënter dan het gebruik van computersimulaties om de end-to-end afstand van rekbare, buigende polymeren, en, in seconden, kan resultaten berekenen die weken aan simulaties kunnen vergen.

De nieuwe formule is vooral handig voor het schatten van de end-to-end lengteverdeling van kleine polymeren, wijzen de auteurs erop. "Dit uitrekken is erg belangrijk in een biopolymeer als het erg kort is, zeg 40 basenparen, " zei Zhang. Ze berekenen dat het effect van het uitrekken verwaarloosbaar wordt voor DNA-moleculen die langer zijn dan ongeveer 130 basenparen, en voor RNA's die langer zijn dan ongeveer 240 basenparen.