Uventet ny dynamik for store DNA -molekyler i flydende suspension

Polymerfysikere ved University of Massachusetts Amherst rapporterer i dag om den uventede og tidligere ukendte opførsel af et ladet makromolekyle, såsom DNA indlejret i en ladet hydrogel, hvor det viser, hvad de kalder en "topologisk frustreret" manglende evne til at bevæge sig eller diffundere i gelen, et fænomen, de beskriver i aktuelt Naturkommunikation .

Polymerfysiker professor Murugappan "Muthu" Muthukumar, med postdoktor Di Jia, brugte lysspredningsteknikker til at studere store DNA-molekylers adfærd i en geomesh på 96 procent vand, hvor de forventede, at det ville bevæge sig meget langsomt, men til sidst at diffundere, som alle tidligere kendte systemer ville opføre sig.

Muthukumar forklarer, "Forskere har i mere end et århundrede vidst, at alle molekyler har brunisk bevægelse, det vil sige de bevæger sig rundt og diffunderer, herunder DNA og andre meget store molekyler. Hvor hurtigt de diffunderer afhænger af molekylet, og store kan være meget langsomme. Det er normalt og det, vi har observeret i mere end 100 år."

Men hvad Jia opdagede og Muthukumar bekræftede med teoretiske beregninger er, at hun kunne designe en hydrogel på 96 procent vand ved hjælp af en gel med mange rum til at fange et stort DNA-molekyle, der slet ikke er i stand til at diffundere. Derfor deres udtryk, "topologisk frustreret dynamik, "hvor topologisk refererer til ideen om, at et enkelt molekyle er indeholdt i mange forskellige kamre, der udgør gelen. Jia bemærker, "DNA-molekylet kan slet ikke bevæge sig, det sidder fast."

Muthukumar tilføjer, "Teknikken til at fange polymerer og molekyler i en flydende suspension er vigtig for genterapi, for eksempel, og i vævsterapi, hvor vi ønsker at levere makromolekyler og store lægemidler til et bestemt sted og holde dem der."

For at forstå Jias design, det hjælper med at forestille sig et molekyle fanget i et kubikmaske med 30 nogenlunde lige store rum, siger Muthukumar. For at sprede, et af rumene skal starte bevægelse, "men for at gøre det, den skal trække alle de andre 29 rum med sig. Det vil prøve at bevæge sig, men det vil blive frustreret, flagrer med vingerne så at sige, og det hele vil sidde fast. Lokalt har det en vis dynamik, men mobiliteten generelt er frustreret."

Han tilføjer, at opdagelsen var en overraskelse, "men når du tænker over det, det giver mening, at kroppen og dens væv ønsker et system, der kan holde på makromolekyler som DNA, at holde dem på plads. Nu hvor vi har lavet en teoretisk forståelse af denne opdagelse, vi tror, ​​det er et universelt fænomen i kroppen, hvor DNA skal fanges på plads. "

Yderligere, "Denne fysiske model kan forklare et observeret biologisk fænomen, " siger han. "Jeg tror, ​​at biologer vil opdage, at vores observation sker i overfyldte miljøer som cellen, og forskere, der arbejder med levering af lægemidler, vil opdage, hvordan man bruger det. "

Andrew Lovinger, National Science Foundation (NSF) programmedarbejder, der støttede forskningen, siger, "Denne nye dynamiske tilstand er virkelig en overraskende opdagelse. Den reviderer videnskabsmænds længe etablerede forståelse af polymerdiffusion, og vil hjælpe med at drive grundlæggende forskning i polymervidenskab for både biologiske og syntetiske systemer."

For at studere sådanne systemer, Jia sætter eksperimenter op, hvor hun manipulerer variabler som gelstruktur, polymerkoncentration og probemolekylernes molekylvægte. Hun fanger derefter flere forskellige molekyler inde i forskellige geler og bruger lysspredning til at observere deres adfærd. Dynamisk lysspredningsanalyse fungerer ved at spore lysspredning, der opstår, efter at en lysstråle er sendt ind i en væske med polymer suspenderet i den. En uddannet forsker kan bestemme polymerens molekylære struktur, hvor hurtig og andre karakteristika ved dens bevægelse. Jia er en dygtig ekspert i teknikken, Muthukumar noter.

Til dette arbejde, Jia siger, at hun eksperimenterede med både syntetiske og naturlige molekyler og begge udviste det samme fænomen. Også, hun var i stand til at vise, at hvis hvert kammer i gelstrukturen ikke er stort nok, og makromolekylet bliver opdelt i meget små stykker, den vil derefter kunne diffundere.

Muthukumar siger, at han i 20 år har tænkt på, hvordan man kan udnytte en polymers konformationer, gør dem nyttige til en række forskellige applikationer. "For at udforske dette skal du skabe barrierer, " påpeger han. "Jeg spurgte mig selv, hvad hvis flere barrierer skal overvindes samtidigt, Hvad vil der ske? Det, jeg tror, ​​vi ser, er, at der foregår samtidige forhandlinger. Matrixen har sin egen lille bevægelse i geldynamik, og molekylet har sin egen dynamik. Til sidst, Vi fandt ud af, at resultatet er så simpelt for et så stort kompliceret system. "