Hoe is DNA als een brug? Deze vraag is geen raadsel of logisch spel, het is een zorg van Johannes Kalliauer's proefschrift.

Als student aan de TU Wien in Oostenrijk stond Kalliauer voor een monumentale taak:het combineren van benaderingen uit de civiele techniek en theoretische natuurkunde om de krachten die op DNA inwerken beter te begrijpen.

Kalliauer, nu een postdoc bij de MIT Concrete Sustainability Hub, zegt dat hij DNA heeft gemodelleerd alsof het een straal is, met behulp van moleculaire dynamische principes om de structurele eigenschappen ervan te begrijpen.

"De mechanica van zeer kleine objecten, zoals DNA-helices, en grote, zoals bruggen, lijken sterk op elkaar. Elk kan worden begrepen in termen van Newtoniaanse mechanica. Krachten en momenten werken op elk systeem en onderwerpen elk aan vervormingen zoals draaien, uitrekken, en kromtrekken", zegt Kalliauer.

Zoals een artikel van de TU Wien uit 2020 opmerkte, observeerde Kalliauer een contra-intuïtief gedrag bij het onderzoeken van DNA op atomair niveau. In tegenstelling tot een typische veer die minder opgerold wordt naarmate hij wordt uitgerekt, werd waargenomen dat DNA meer opgewonden raakte naarmate de lengte groter werd.

In situaties als deze waar conventionele logica lijkt te falen, vertrouwt Kalliauer op de intuïtie die hij als ingenieur heeft opgedaan.

"Om dit vreemde gedrag in DNA te begrijpen, ben ik overgestapt op een fundamentele benadering:ik onderzocht wat er hetzelfde was aan DNA en macroscopische structuren en wat er anders was. Civiel ingenieurs gebruiken methoden en berekeningen die door de eeuwen heen zijn ontwikkeld en die sterk lijken op degene die ik voor mijn scriptie heb gebruikt”, legt Kalliauer uit.

Zoals Kalliauer vervolgt:"Structuurtechniek is een ongelooflijk veelzijdige discipline. Als je het begrijpt, kun je atomistische objecten zoals DNA-strengen en zeer grote zoals sterrenstelsels begrijpen. Als onderzoeker vertrouw ik erop om me te helpen nieuwe gezichtspunten naar velden als biologie. Andere civiel ingenieurs kunnen en moeten hetzelfde doen."

Kalliauer, die opgroeide in een klein stadje in Oostenrijk, heeft zijn leven lang onconventionele benaderingen als deze toegepast in alle disciplines. "Ik ben opgegroeid in een wiskundegezin. Hoewel niemand van ons ingenieur was, brachten mijn ouders waardering voor de discipline bij mij en mijn twee oudere zussen bij."

Na de middelbare school ging Kalliauer naar een technische school voor civiele techniek, waar hij een fascinatie voor mechanica ontdekte. Hij werkte ook op een bouwplaats om praktische ervaring op te doen en techniek toegepast te zien worden in een reële context.

Kalliauer studeerde intensief uit interesse en werkte meer dan 100 uur per week om cursussen op de universiteit beter te begrijpen. "Ik stelde docenten en professoren veel vragen, waarbij ik vaak hun ideeën ter discussie stelde. Bovenal moest ik dingen zelf begrijpen. Goed presteren op examens was een secundaire zorg."

Op de universiteit bestudeerde hij onderwerpen variërend van het testen van auto-ongelukken tot betonnen scharnieren tot biologie. Als nieuw lid van de CSHub bestudeert hij hoe overstromingen kunnen worden gemodelleerd met het op statistische fysica gebaseerde model van de roosterdichtheidsfunctionaaltheorie.

Daarbij bouwt hij voort op het werk van vroegere en huidige CSHub-onderzoekers zoals Elli Vartziotis en Katerina Boukin.

"Het is belangrijk voor mij dat dit onderzoek een echte impact heeft in de wereld. Ik hoop dat mijn benadering van engineering onderzoekers en belanghebbenden kan helpen begrijpen hoe overstromingen zich in stedelijke contexten voortplanten, zodat we steden veerkrachtiger kunnen maken", zegt hij. + Verder verkennen

Moleculaire krachten:het verrassende rekgedrag van DNA