Hvordan mikroskopiske kammuslinger vandrer

Alle mikroskopiske genstande, fra enzymer til malingspartikler, ryster konstant, bombarderet af opløsningsmiddelpartikler:dette kaldes Brownsk bevægelse. Hvordan ændres denne bevægelse, når objektet er fleksibelt i stedet for stift? Ruben Verweij, Pepijn Moerman, og kolleger offentliggjorde de første målinger i Physical Review Research .

Botaniker Robert Brown gav sit navn til de nervøse bevægelser, han så pollenkorn lave, da han studerede dem i 1827 under sit mikroskop. Siden da, egenskaberne ved Brownsk bevægelse er blevet intensivt undersøgt:de er forårsaget af hurtigt bevægende vandmolekyler, der støder ind i de langsommere bevægelige partikler, som blev forklaret af Einstein og Perrin i begyndelsen af ​​1900-tallet.

Brownsk bevægelse påvirker også biologiske mikroskopiske partikler, såsom enzymer, RNA, og antistoffer. De fleste af disse er ikke stive, men fleksible:de kan ændre deres form og dermed, deres funktion.

Hvordan påvirker det deres Brownske bevægelse? Forudsigelser lavet i 1980'erne kunne ikke testes i lang tid, fordi eksperimentelle modelsystemer med veldefinerede formændringer, stor nok til at blive observeret, fandtes endnu ikke.

Perler i mikrometerstørrelse

Dette ændres med udgivelsen af ​​Verweij og Moerman, et samarbejde med Willem Kegel, Jan Groenewold og Alfons van Blaaderen fra Utrecht University. "Vi har bygget det enklest tænkelige modelsystem til fleksible objekter i mikrometerstørrelse, som du også kan studere under et lysmikroskop, " siger Verweij.

Daniela Krafts gruppe bruger kolloider:mikrometerstore perler, som bevæger sig rundt i vand og kan observeres ved hjælp af et mikroskop. Gruppen udviklede en metode til at belægge kolloider i et lipid-dobbeltlag med indsatte DNA-molekyler, som kan kobles selektivt til DNA-molekyler omkring en anden kolloid partikel. Dette skaber et hængsel, der frit kan ændre sin form, fordi lipid-dobbeltlaget omkring partiklerne er flydende.

En serie på tre kolloider, koblet på denne måde, er modelsystemet. "Det er let at se fleksibiliteten under mikroskopet, ved at spore den vinkel, som de tre laver, " siger Verweij. Han filmede omkring 30 af disse trillinger, mens de spredte sig, bevæger sig, roterende, og lukning og åbning under bombardementet af omgivende vandmolekyler.

Kvasi-musling-tilstand

Videoerne blev analyseret, hvilket giver den første eksperimentelle sammenligning mellem stiv og fleksibel Brownsk bevægelse. Det første resultat:fleksible partikler bevæger sig lidt hurtigere end stive. "Det er en lille, men målbar forskel, omkring tre procent. Vigtigere, vi fandt visse koblinger mellem formændringer og forskydninger, " siger Verweij. Betydningen af ​​dette er subtil, og Verweij forsøger at forklare. "Når en kammusling aktivt lukker sin skal, den vil bevæge sig fremad i retning af hængselpunktet. Vi fandt en lignende sammenhæng for vores små hængsler, som kun bevæger sig passivt, og kald det den brunske kvasi-musling-tilstand."

Selvom subtile, forskerne observerer en sikker statistisk sammenhæng mellem den brunske åbning og lukning, og bevægelsen som trillingen laver. Disse sammenhænge var blevet forudsagt, og er nu endelig blevet bekræftet.

Stiv kontra fleksibel

Endelig, forfatterne undersøgte effekten af ​​tid. Fleksible trimere i en udvidet konfiguration bevæger sig hurtigere langs deres lange akse end langs deres korte akse, ligesom stive partikler. For stive partikler, denne effekt forsvinder over tid på grund af deres rotationsbevægelser. For fleksible partikler, denne proces sker hurtigere, fordi de også ændrer form, hvilket får denne foretrukne retning til at udjævne sig.

Den hastighed, hvormed dette sker, derfor, afhænger i høj grad af fleksibiliteten. "Det går fra omkring 30 sekunder for stive partikler til 10 sekunder for fleksible, " siger Verweij.

"Målinger som denne er vigtige, da mange biologiske molekyler også er fleksible, og interaktioner mellem dem afhænger af dette. For eksempel, lås-og-nøgle-tilpasningen mellem et protein og en receptor kan påvirkes af Brownske formændringer."

Komplekse klynger

I øvrigt, fleksible kolloid-hængsler kan bruges som modeller for simple molekyler, hvor atomer er koblet. Men mens molekyler ikke kan opløses ved hjælp af et mikroskop, kolloiderne kan.

Resultaterne og metoderne kan i sidste ende være nyttige til forskning i lægemidler og sygdomme, men, understreger Verweij, dette er grundforskning, primært rettet mod at forstå de underliggende fysiske processer.

"Nu vil vi gerne forske i længere og mere komplekse klynger, for eksempel af fire kugler. I det tilfælde, der er flere grader af frihed, hvilket selvfølgelig gør adfærden endnu mere kompleks og interessant."