Fysikere ser på navigationslinjer for at studere polymerens unikke spindelstruktur

Fra de indviklede mønstre af pollenkorn til de logaritmiske spiraler af nautilus-skaller, biologi er fuld af komplekse mønstre, former, og geometrier. Mange af disse indviklede strukturer spiller vigtige roller i biologisk funktion, men det kan være svært at skabe i et laboratorium uden topmoderne udstyr eller dyre og energikrævende processer og materialer.

En ny undersøgelse beskriver, hvordan kugler kan omdannes til snoede spindler takket være indsigt fra det 16. århundredes navigationsværktøjer. Forskere viser, hvordan polymerer kan trække sig sammen til spiralstrukturer, kendt som loxodromes, der har komplekse mønstre ti gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. Udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , forskningen blev udført af University of Pennsylvania kandidatstuderende Helen Ansell, postdoc Daeseok Kim, og professorerne Randall Kamien og Eleni Katifori på School of Arts and Sciences, i samarbejde med Teresa Lopez-Leon fra École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI).

Kim, som arbejdede på dette projekt hos ESPCI, før han kom til Penn, blev inspireret af andre undersøgelser, der viser, at en blanding af polymer og flydende krystal fik en ny form, når den blev anbragt i et andet opløsningsmiddel. Det var en ændring, der også var reversibel og reproducerbar, med lidt eller ingen energi, der kræves for at forårsage ændringen i form.

For at forstå de interessante konformationelle ændringer, som Kim havde set i laboratoriet, han opsøgte teoretikere, der kunne hjælpe med at forstå, hvordan polymerens geometri fik den til at vride sig og trække sig sammen. Efter at have set de mikroskopiske billeder og data, der blev indsamlet og analyseret af Kim, Ansell havde en første idé om, hvad spindlens struktur kunne være:en loxodrom.

Mere almindeligt omtalt som rhumb lines, en loxodrome er en bue, der følger en konstant vinkel, når den skærer hen over en kugle. Sømænd gennem det 16.-19. århundrede brugte disse linjer til at navigere, giver dem mulighed for at indstille deres kompas til en konstant pejling, så deres skib ikke behøvede at ændre sin pejling.

"Vi forsøgte at finde ud af, om dette var tilfældet, " Ansell siger om at undersøge, om hendes hypotese var korrekt. "Vi tror, ​​vi fandt disse loxodromer, så vi var nødt til at sammenligne, hvordan det ser ud i forhold til dataene."

Ansell udviklede derefter en matematisk model, der beskriver, hvordan kuglerne bliver aflange og snoede ved at bruge loxodromens geometri som udgangspunkt. Ved at sammenligne resultaterne af hendes teori med data genereret af Kim, hun var i stand til at vise, at ændring af opløsningsmidlet fik polymererne til at krympe, hvilket fik dens form til at vride sig, da polymerkæderne langs kuglens længdelinjer blev kortere.

I toppen af ​​spindlerne er der en mikron spiraler, næsten hundrede gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. At skabe menneskeskabte mønstre, der er små, kræver normalt dyre metoder og udstyr, men denne metode til at lave selvsamlede strukturer i lille skala ved hjælp af udgangsmaterialer i kursusskala er meget enklere.

Polymer loxodromen er det seneste fund, der dykker ned i Kamien-gruppens interesser i krydsningen mellem kemi og geometri. Kamien siger, at mange interaktioner i biologi, som proteinfoldning, immunresponser, og endda lugt, er normalt afbildet som en kemisk binding, men understreger, at geometrien også driver meget af det, der sker i biologien.

"Tænk på proteiner, " siger Kamien, "Du har disse forskellige aminosyrer, og de tiltrækker på forskellige måder, men når du er færdig, du har denne kæmpe glob, og der er denne lille lomme, der fanger resterne, så du tænker på det geometrisk. Helens forklaring er fuldstændig geometrisk:Den involverer ikke noget specifikt om, hvordan bindingen fungerer."

For Kim, denne forskning er et spændende første skridt til at studere unikke strukturer i andre biologiske systemer. Ved at designe nye typer polymerpartikler og teste dem under forskellige forhold, han håber at lære mere om, hvordan formdrev fungerer, især i systemer, der vrider og trækker sig sammen. "Vi kunne studere noget biologisk stof i naturen ved at efterligne en lignende topologisk model, " han siger, "Og vi kan løse eller studere et komplekst problem i naturen."

Nu, helt tilfældigt, Ansells indsats har lagt grunden til et andet ikke-relateret projekt, hun havde siddet fast på i nogen tid, som også ser ud til at have en loxodrome-løsning.

"De dukker bare op, " siger hun om den snoede spindelform.

"Som Pasteur sagde, held begunstiger det forberedte sind, " tilføjer Kamien. "Nu, vi er klar til at lede efter dem."