Forskere afgør argument om mobiliteten af ​​fleksible filamenter (m/ video)

(PhysOrg.com) -- Theo Odijk, du vinder. Professoren i bioteknologi ved Delft University of Technology i Holland har fået en ny bedste ven i Rice Universitys Matteo Pasquali.

Sammen med samarbejdspartnere ved det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS), universitetet i Bordeaux, Frankrig, og Vrije Universitet, Amsterdam, risprofessoren og hans team har afgjort en langvarig kontrovers inden for polymerdynamik:Forskerne beviste én gang for alle, at Odijk havde ret i at proklamere, at lidt fleksibilitet rækker langt for stive filamenter i en opløsning.

Undersøgelsen i det aktuelle nummer af tidsskriftet Videnskab viser, at selv en lille evne til at bøje giver nanorør og andre små, stive filamenter midlerne til at navigere gennem overfyldte miljøer, eller endda sådanne faste netværk som cellematricer.

Værket af Pasquali, en professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab og i kemi, kan skabe nye måder at påvirke bevægelsen af ​​små filamenter ved at skræddersy deres stivhed til et givet miljø.

Nanorør bliver undersøgt til potentiel brug i alle former for sansning, selv i de tilsyneladende forskellige områder af biologiske anvendelser og olieefterforskning. I begge, evnen af ​​nanorør og andre fine, filamentøse partikler til at bevæge sig gennem deres omgivelser er afgørende, sagde Pasquali.

Forstå bevægelsen af ​​en enkelt, fleksibel polymerkæde i et netværk har været nøglen til videnskabelige fremskridt af Odijk og andre om, for eksempel, DNAs adfærd. Ris-forskerne forventer, at deres afsløring ikke vil have mindre indflydelse.

Pasquali og hovedforfatter Nikta Fakhri, en tidligere kandidatstuderende ved Rice, der nu laver postdoktoral forskning ved universitetet i Göttingen, Tyskland, satte sig for at bryde de fastlåste teorier af Odijk og to andre videnskabsmænd, der var uenige om den brownske bevægelse af stive filamenter i et overfyldt miljø, og om selve stivheden spillede nogen rolle.

"Der er en langvarig, grundlæggende spørgsmål:Hvordan bevæger dette trådagtige objekt sig, når det bliver overfyldt? Det kan være overfyldt, fordi det er i en gel, eller fordi der er en masse trådlignende genstande med den - som for den ene genstand ligner en gel, " han sagde.

Crowding begrænser en filamentets evne til at rejse. Tænk på at prøve at komme fra bagsiden til fronten af ​​en overfyldt bus; det kræver en vis smidighed at væve sig vej gennem de tætpakkede kroppe. "Det viser sig, at med lidt fleksibilitet, et filament kan udforske rummet omkring det meget mere effektivt, " sagde Pasquali.

Det bliver vigtigt, når målet er at få filamenter til at finde og trænge ind i en cellulær pore for at levere en dosis medicin eller til at fungere som en fluorescerende sensor.

"Hvis du ser på den menneskelige krop, de siger, at vi er lavet af 60 procent vand, men vi sluger ikke rundt, " Forklarede Pasquali. "Det er fordi vandet er fanget i porerne. Næsten alt vandet i vores krop er i gel-lignende strukturer:inde i vores celler, som er fyldt med filamentøse netværk, eller i den interstitielle væske, der omgiver disse celler. Vi er en stor, squishy, porøst medium. Vi er nødt til at forstå, hvordan nanopartiklerne bevæger sig i dette medium."

Pasquali og Fakhri efterlignede biologiske netværk ved at bruge forskellige koncentrationer af agarosegel, et porøst materiale, der ofte bruges som filter i biokemi og molekylærbiologi for DNA og proteiner. Gelen danner en matrix af kontrollerbar størrelse, gennem hvilken molekyler kan bevæge sig.

Nanorør tjente som stand-in for enhver type filament, omend en hvis stivhed kan kontrolleres. Som et PVC-rør i makroverdenen, nanorør bliver stivere, når de bliver tykkere; men selv de stiveste rør kan bøje lidt med længden, og disse rør var tusindvis af gange længere, end de var brede.

Undersøgelsen startede noget serendipitalt, da medforfatter Laurent Cognet, en forsker ved CNRS og University of Bordeaux, forsøgte at immobilisere nanorør i agarosegeler. Han bemærkede i et mislykket eksperiment, at nanorørene bevægede sig på en "sjov måde" og diskuterede det med Pasquali.

Pasquali spurgte, om nanorørene gentog sig - videnskabsmandssprog for en slangelignende bevægelse - og Cognet sagde ja. Fakhri, der studerede nanorørs dynamik, rejste til Bordeaux-laboratoriet i Cognet og medforfatter Brahim Lounis for at fange billeder af nanorørene i bevægelse.

De resulterende spektroskopiske og direkte still- og videobilleder af 35 fluorescerende enkeltvæggede nanorør viste dem snoede gennem gelen, sondering af porer og stier. Nanorørene, som alle filamenter, overholdt reglerne for termisk-induceret Brownsk bevægelse; de blev skubbet og trukket af de stadigt skiftende tilstande af molekylerne omkring dem.

Forskningen viste, at fleksibilitet markant forbedrer nanorørenes evne til at navigere rundt om forhindringer og fremskynder deres udforskning.

Pasquali sagde, at Fakhri stædigt forfulgte sin analyse af nanorørets bevægelse gennem computeriseret billedgenkendelse og bevægelsessporing, samt gammeldags blyant-og-papir dynamisk analyse. Han sagde, at hans mangeårige samarbejdspartner, medforfatter Frederick MacKintosh, en teoretisk fysiker ved Vrije Universitet, var en kæmpe hjælp. MacKintosh har studeret dynamikken i biologiske netværk i næsten to årtier.

Pasquali har til hensigt at erstatte gelen med rigtige sten for at se, hvordan nanorør, som kan bruges som oliedetekterende sensorer, bevæge sig i et mere struktureret miljø. "Sten kan være lidt mere kompliceret, sagde han. Spørgsmålet her er, hvad kan nanorør gøre bedre end nanopartikler? Svaret kan være, at slanke nanorør kan interagere med elektromagnetiske felter stærkere end andre nanopartikler af samme volumen."