Van de ingewikkelde patronen van stuifmeelkorrels tot de logaritmische spiralen van nautilusschelpen, biologie zit vol met complexe patronen, vormen, en geometrieën. Veel van deze ingewikkelde structuren spelen een belangrijke rol in de biologische functie, maar kan moeilijk te maken zijn in een laboratorium zonder de modernste apparatuur of dure en energieverslindende processen en materialen.

Een nieuwe studie beschrijft hoe bollen kunnen worden omgezet in gedraaide spindels dankzij inzichten uit 16e-eeuwse navigatietools. Onderzoekers laten zien hoe polymeren kunnen samentrekken tot spiraalstructuren, bekend als loxodromen, die complexe patronen hebben die tien keer kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar. Gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , het onderzoek werd uitgevoerd door Helen Ansell, afgestudeerde studente aan de Universiteit van Pennsylvania, postdoc Daeseok Kim, en professoren Randall Kamien en Eleni Katifori in de School of Arts and Sciences, in samenwerking met Teresa Lopez-Leon van de École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI).

Kim, die aan dit project bij ESPCI werkte voordat hij naar Penn kwam, werd geïnspireerd door andere onderzoeken die aantoonden dat een mengsel van polymeer en vloeibaar kristal een nieuwe vorm aannam wanneer het in een ander oplosmiddel werd geplaatst. Het was een verandering die ook omkeerbaar en reproduceerbaar was, met weinig tot geen energie die nodig is om de verandering in vorm te veroorzaken.

Om de interessante conformatieveranderingen te begrijpen die Kim in het lab had gezien, hij zocht theoretici op die konden helpen begrijpen hoe de geometrie van het polymeer ervoor zorgde dat het verwrongen en samengetrokken werd. Na het zien van de microscopische beelden en gegevens die door Kim zijn verzameld en geanalyseerd, Ansell had een eerste idee van wat de structuur van de spil zou kunnen zijn:een loxodroom.

Meestal aangeduid als loxodroom, een loxodrome is een boog die een constante hoek volgt terwijl deze door een bol snijdt. Zeelieden in de 16e-19e eeuw gebruikten deze lijnen om te navigeren, waardoor ze hun kompassen op een constante peiling konden zetten, zodat hun schip niet van koers hoefde te veranderen.

"We hebben geprobeerd erachter te komen of dit het geval was, Ansell zegt over het onderzoeken of haar hypothese klopte. "We denken dat we deze loxodromen hebben gevonden, dus we moesten gaan vergelijken hoe het eruit ziet met de gegevens."

Ansell ontwikkelde vervolgens een wiskundig model dat beschrijft hoe de bollen langwerpig en gedraaid worden, met de geometrie van het loxodrome als uitgangspunt. Door de resultaten van haar theorie te vergelijken met de gegevens die door Kim zijn gegenereerd, ze kon aantonen dat het veranderen van het oplosmiddel ervoor zorgde dat de polymeren krimpen, waardoor zijn vorm verdraaide toen de polymeerketens langs de lengtelijnen van de bol korter werden.

Aan de bovenkant van de spindels bevinden zich spiralen van één micron, bijna honderd keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Het creëren van door de mens gemaakte patronen die klein zijn, vereist meestal dure methoden en apparatuur, maar deze methode om zelfgeassembleerde kleinschalige constructies te maken met behulp van cursusschaal uitgangsmateriaal is veel eenvoudiger.

De polymeerloxodrome is de nieuwste vondst die ingaat op de interesses van de Kamien-groep in de kruising tussen chemie en geometrie. Kamien zegt dat veel interacties in de biologie, zoals eiwitvouwing, immuunreacties, en zelfs ruiken, wordt meestal afgebeeld als een chemische binding, maar benadrukt dat geometrie ook de drijvende kracht is achter veel van wat er in de biologie gebeurt.

"Denk aan eiwitten, " zegt Kamien, "Je hebt deze verschillende aminozuren, en ze trekken op verschillende manieren aan, maar als je klaar bent, je hebt deze gigantische bol, en er is een klein zakje dat de resten opvangt, dus je denkt er geometrisch aan. Helen's uitleg is volledig geometrisch:er is niets specifieks aan de hand over hoe de binding werkt."

voor Kim, dit onderzoek is een spannende eerste stap voor het bestuderen van unieke structuren in andere biologische systemen. Door nieuwe soorten polymeerdeeltjes te ontwerpen en deze onder verschillende omstandigheden uit te testen, hij hoopt meer te weten te komen over de functie van vormaandrijvingen, vooral in systemen die draaien en samentrekken. "We zouden wat biologische materie in de natuur kunnen bestuderen door een soortgelijk topologisch model na te bootsen, " hij zegt, "En we kunnen een complex probleem in de natuur oplossen of bestuderen."

Nutsvoorzieningen, geheel toevallig, Ansells inspanningen hebben de basis gelegd voor een ander niet-gerelateerd project waar ze al een tijdje aan vast zat en dat ook een loxodrome-oplossing lijkt te hebben.

"Ze verschijnen gewoon, " zegt ze over de gedraaide spindelvorm.

"Zoals Pasteur zei, geluk is gunstig voor de voorbereide geest, "voegt Kamien eraan toe. "Nu, we zijn klaar om ze te zoeken."