Team bruger magnetiske perler til at modellere mikroskopiske proteiner, polymerer

En konstrueret række af mikronvide perler kan tage det slap, hvor computermodellering svigter forskere, der studerer bøjningen, foldning og andre bevægelser af polymerer eller biomolekyler som actin og DNA.

Rice University kemiske og biomolekylære ingeniør Sibani Lisa Biswal og hendes studerende - hovedforfatter Steve Kuei, en kandidatstuderende, og medforfatter Burke Garza, en undergraduate-skabte strenge af polystyrenperler forstærket med jern for at magnetisere dem og med streptavidin, et naturligt protein, der fungerer som en fjedrende linker mellem dem.

De placerede strengene i løsninger og manipulerede dem med et roterende magnetfelt. Nogle tråde blev lavet til at være stive, nogle lidt bøjede og nogle meget mere fleksible. Ved at påføre en ekstern magnetisk kraft, forskerne var i stand til at se, hvordan hver type streng reagerede og sammenlignede resultaterne med computermodeller af strenge, der havde de samme egenskaber.

Biswal sagde, at den nye platform lader forskere studere, hvordan strenge af forskellige typer opfører sig under dynamiske forhold på en skalerbar måde, som ikke er mulig med simuleringer på grund af de høje beregningsomkostninger. Det kunne gavne forskere, der studerer proteiner, DNA og RNA i biologiske systemer eller dem, der studerer flydende egenskaber af polymerer, der vikler sig sammen for at skabe geler, eller flydende krystallers rækkefølge og pakningstæthed.

"Jeg kan se folk bruge dette til at studere det praktiske ved at bygge, sige, mikrorobotter med logrende hale, eller robotter, der kan rulle sig sammen, " sagde Biswal. Fordi teknikken kunne modellere flagellar bevægelse i et flydende miljø, det kan også være med til at gøre kunstige organismer mulige, hun sagde.

Forskningen vises i tidsskriftet American Physical Society Fysisk gennemgangsvæske .

Rice-teamet vidste, at der allerede var masser af information tilgængelig om stive og fleksible strenge, filamenter og fibre, og hvordan de bevægede sig på grund af Brownsk bevægelse eller som reaktion på forskydning eller andre kræfter. Men der var meget få data om semifleksible fibre som aktin, kulstof nanorør og cilia.

"Der er stor interesse for materialer, der foldes ind i komplekse geometrier, men selv simple ting som at binde en knude på makroskala er meget vanskelige på mikroskala, " sagde Biswal. "Så vi udviklede en metode til at lade os se på de involverede dynamiske kræfter. Evnen til at konstruere forskellige fleksibiliteter i dette materiale er dets reelle kraft."

Strengene isoleret i væske kan rystes eller omrøres, men Rice-teamet byggede en enhed til at rotere det magnetiske felt, der rørte hver perle med blid kraft. De observerede strenge, der reagerede på forskellige måder afhængigt af niveauet af indbygget fleksibilitet og/eller elasticitet.

Stive stænger roterede simpelthen i samspil med magnetfeltet. Dem med lidt mere fleksibilitet "logrede" med halen i det bevægelige felt, og centrene ville vende sig, mens halerne slappede af. Længere og mere fleksible strenge var tilbøjelige til at rulle sig sammen, til sidst komprimeres til en form med mindre træk, der tillod dem at opføre sig som deres stive brødre.

"Det meste af tiden er strenge åbne i strukturen, indtil du tænder for det roterende felt, og de krøller sammen, " sagde Biswal. "Det ændrer de underliggende væskeegenskaber, fordi de går fra at fylde meget til at fylde meget lidt. En væske med snore kunne gå fra at opføre sig som honning til at opføre sig som vand."

Sådanne effekter kan ikke ses direkte med proteiner, der både er adskillige størrelsesordener mindre og alligevel har for mange perler - resterne - til at simulere deres foldning nemt, sagde Biswal.

"Der har været noget arbejde med fluorescensmærket DNA og andre biofilm som aktin, men de kan ikke få den perle-til-perle opløsning, som vi kan med vores metode, " sagde hun. "Vi kan faktisk se positionerne for alle vores partikler."

Strenge i den aktuelle undersøgelse havde op til 70 perler. Forskerne planlægger at lave kæder op til 1, 000 perler til fremtidige undersøgelser af mere kompliceret foldedynamik.