Polymeerfysici aan de Universiteit van Massachusetts Amherst rapporteren vandaag het onverwachte en voorheen onbekende gedrag van een geladen macromolecuul zoals DNA ingebed in een geladen hydrogel, waar het vertoont wat zij een "topologisch gefrustreerd" onvermogen om te bewegen of te diffunderen in de gel noemen, een fenomeen dat ze beschrijven in de huidige Natuurcommunicatie .

Polymeer natuurkundige professor Murugappan "Muthu" Muthukumar, met postdoctoraal onderzoeker Di Jia, gebruikte lichtverstrooiingstechnieken om het gedrag van grote DNA-moleculen te bestuderen in een geomesh van 96 procent water, waar ze verwachtten dat het heel langzaam zou gaan, maar om uiteindelijk te diffunderen zoals alle eerder bekende systemen zich zouden gedragen.

Muthukumar legt uit, "Wetenschappers weten al meer dan een eeuw dat alle moleculen Brownse beweging hebben, dat wil zeggen dat ze bewegen en diffunderen, inclusief DNA en andere zeer grote moleculen. Hoe snel ze diffunderen, hangt af van het molecuul, en grote kunnen erg traag zijn. Dit is normaal en is wat we al meer dan 100 jaar zien."

Maar wat Jia ontdekte en Muthukumar bevestigde met theoretische berekeningen, is dat ze een hydrogel van 96 procent water kon ontwerpen met behulp van een gel met veel compartimenten om een ​​groot DNA-molecuul te vangen dat helemaal niet kan diffunderen. Vandaar hun termijn, "topologisch gefrustreerde dynamiek, " waar topologisch verwijst naar het idee dat een enkel molecuul wordt vastgehouden in veel verschillende kamers die de gel vormen. Jia merkt op:"Het DNA-molecuul kan helemaal niet bewegen, het zit vast."

Muthukumar voegt toe, "De techniek van het vangen van polymeren en moleculen in een vloeibare suspensie is belangrijk voor gentherapie, bijvoorbeeld, en in weefseltherapie waar we macromoleculen en grote medicijnen op een specifieke locatie willen afleveren en daar houden."

Om het ontwerp van Jia te begrijpen, het helpt om je een molecuul voor te stellen dat gevangen zit in een kubieke mazen van 30 ongeveer gelijke compartimenten, zegt Muthukumar. Om te verspreiden, een van de compartimenten moet beweging initiëren, "maar om dat te doen, het moet alle andere 29 compartimenten met zich meeslepen. Het zal proberen te bewegen, maar het zal gefrustreerd raken, als het ware met zijn vleugels fladderend, en het geheel zal vast komen te zitten. Lokaal heeft het enige dynamiek, maar de mobiliteit in het algemeen is gefrustreerd."

Hij voegt eraan toe dat de ontdekking een verrassing was, "maar als je erover nadenkt, het is logisch dat het lichaam en zijn weefsels een systeem willen dat macromoleculen zoals DNA kan vasthouden, om ze op hun plaats te houden. Nu we een theoretisch begrip van deze ontdekking hebben gemaakt, we denken dat het een universeel fenomeen in het lichaam is, waar DNA op zijn plaats moet worden opgesloten."

Verder, "Dit fysieke model kan een waargenomen biologisch fenomeen verklaren, "zegt hij. "Ik denk dat biologen zullen ontdekken dat onze observatie plaatsvindt in drukke omgevingen zoals de cel, en onderzoekers die aan medicijnafgifte werken, zullen ontdekken hoe het te gebruiken."

Andreas Liefhebber, de programmamedewerker van de National Science Foundation (NSF) die het onderzoek ondersteunde, zegt, "Deze nieuwe dynamische toestand is echt een verrassende ontdekking. Het herziet het lang gevestigde begrip van wetenschappers van polymeerdiffusie, en zal helpen bij het stimuleren van fundamenteel onderzoek in de polymeerwetenschap voor zowel biologische als synthetische systemen."

Om dergelijke systemen te bestuderen, Jia zet experimenten op waarbij ze variabelen manipuleert zoals gelstructuur, polymeerconcentratie en de molecuulgewichten van de probemoleculen. Vervolgens vangt ze verschillende moleculen op in verschillende gels en gebruikt ze lichtverstrooiing om hun gedrag te observeren. Dynamische lichtverstrooiingsanalyse werkt door lichtverstrooiing te volgen die ontstaat nadat een lichtstraal in een vloeistof is gestuurd waarin polymeer is gesuspendeerd. Een getrainde onderzoeker kan de moleculaire structuur van het polymeer bepalen, hoe snel en andere kenmerken van zijn beweging. Jia is een ervaren expert in de techniek, Muthukumar notities.

Voor dit werk, Jia zegt dat ze met zowel synthetische als natuurlijke moleculen heeft geëxperimenteerd en beide hetzelfde fenomeen vertoonden. Ook, ze kon aantonen dat als elke kamer van de gelstructuur niet groot genoeg is en het macromolecuul in zeer kleine stukjes wordt verdeeld, het zal dan kunnen diffunderen.

Muthukumar zegt dat hij al 20 jaar nadenkt over het benutten van de conformaties van een polymeer, waardoor ze bruikbaar zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen. "Om dit te onderzoeken moet je barrières creëren, ' merkt hij op. 'Ik vroeg mezelf af, wat als meerdere barrières tegelijkertijd moeten worden overwonnen, wat zal er gebeuren? Ik denk dat we zien dat er gelijktijdige onderhandelingen gaande zijn. De matrix heeft zijn eigen kleine beweging in geldynamica, en het molecuul heeft zijn eigen dynamiek. Uiteindelijk, we ontdekten dat het resultaat zo eenvoudig is voor zo'n groot gecompliceerd systeem."