Selvorganisering af komplekse strukturer

Tidskompleksitet. (A–C) Den minimale monteringstid T^min ₉₀ i de fire scenarier i afhængighed af størrelsen S af målstrukturen som opnået fra stokastiske simuleringer for forskellige dimensionaliteter af strukturerne:(A) 1D, (B) 2D og (C) 3D. Den reaktive tidsskala (Cν)⁻¹ definerer den grundlæggende tidsskala i systemet, som afhænger af den initiale koncentration C af monomerer pr. art. Derfor er den minimale monteringstid målt i enheder af (Cν)⁻¹ . Hvert datapunkt repræsenterer et gennemsnit over flere uafhængige realiseringer af den stokastiske simulering for den samme (optimale) parameterværdi, bestemt af et parametersweep (SI-tillæg, afsnit 1). Vi finder power-lov afhængigheder af den minimale monteringstid på størrelsen af målstrukturen. De tilsvarende tidskompleksitetseksponenter θ_sim som resultat af simuleringerne er opsummeret i tabellerne i A–C sammen med deres teoretiske estimater θ_th (som vi udleder i SI-bilag, afsnit 3). Vi angiver scenarierne som rev, reversibel binding; handle, aktivering; jis, lige i rækkefølge; og dæmpet, dimerisering. Kredit:DOI:10.1073/pnas.2116373119

Forskere fra Ludwig Maximilian Universitetet i München har udviklet en ny strategi til fremstilling af strukturer i nanoskala på en tids- og ressourceeffektiv måde.

Makromolekyler såsom cellulære strukturer eller viruskapsider kan dukke op fra små byggesten uden ekstern kontrol for at danne komplekse rumlige strukturer. Denne selvorganisering er et centralt træk ved biologiske systemer. Men sådanne selvorganiserede processer bliver også stadig vigtigere for opbygningen af komplekse nanopartikler i nanoteknologiske applikationer. I DNA-origami, for eksempel, skabes større strukturer ud af individuelle baser.

Men hvordan kan disse reaktioner optimeres? Dette er spørgsmålet, som LMU-fysiker prof. Erwin Frey og hans team undersøger. Forskerne har nu udviklet en tilgang baseret på begrebet tidskompleksitet, som gør det muligt at skabe nye strategier til mere effektiv syntetisering af komplekse strukturer, som de rapporterer i tidsskriftet PNAS .

Et koncept fra datalogi

Tidskompleksitet beskriver oprindeligt problemer fra informatikområdet. Det indebærer at undersøge, hvordan mængden af tid, der kræves af en algoritme, stiger, når der er flere data at behandle. Når mængden af data fordobles, for eksempel, kan den nødvendige tid fordobles, firdobles eller øges til en endnu højere effekt. I værste fald øges algoritmens køretid så meget, at et resultat ikke længere kan udlæses inden for en rimelig tidsramme.

"Vi anvendte dette koncept til selvorganisering," forklarer Frey. "Vores tilgang var:Hvordan ændres den tid, det tager at bygge store strukturer, når antallet af individuelle byggeklodser stiger?" Hvis vi antager - analogt med tilfældet inden for databehandling - at den nødvendige tidsperiode stiger med en meget høj effekt, når antallet af komponenter stiger, ville dette praktisk talt umuliggøre synteser af store strukturer. "Som sådan ønsker folk at udvikle metoder, hvor tiden afhænger så lidt som muligt af antallet af komponenter," forklarer Frey.

LMU-forskerne har nu udført sådanne tidskompleksitetsanalyser ved hjælp af computersimuleringer og matematisk analyse og udviklet en ny metode til fremstilling af komplekse strukturer. Deres teori viser, at forskellige strategier til at bygge komplekse molekyler har helt forskellige tidskompleksiteter – og dermed også forskellig effektivitet. Nogle metoder er mere, og andre mindre, egnede til at syntetisere komplekse strukturer i nanoteknologi. "Vores tidskompleksitetsanalyse fører til en enkel, men informativ beskrivelse af selvmonteringsprocesser for præcist at forudsige, hvordan parametrene i et system skal kontrolleres for at opnå optimal effektivitet," forklarer Florian Gartner, medlem af Freys gruppe og hovedforfatter til papiret.

Holdet demonstrerede gennemførligheden af den nye tilgang ved hjælp af et velkendt eksempel fra området for nanoteknologi:Forskerne analyserede, hvordan man effektivt fremstiller en meget symmetrisk viral kappe. Computersimuleringer viste, at to forskellige monteringsprotokoller førte til høje udbytter på kort tid.

En ny strategi for selvorganisering

When carrying out such experiments before now, scientists have relied on an experimentally complicated method that involves modifying the bond strengths between individual building blocks. "By contrast, our model is based exclusively on controlling the availability of the individual building blocks, thus offering a simpler and more effective option for regulating artificial self-organization processes," explains Gartner. With regard to its time efficiency, the new technique is comparable, and in some cases better, than established methods. "Most of all, this schema promises to be more versatile and practical than conventional assembly strategies," says the physicist.

"Our work presents a new conceptual approach to self-organization, which we are convinced will be of great interest for physics, chemistry, and biology," says Frey. "In addition, it puts forward concrete practical suggestions for new experimental protocols in nanotechnology and synthetic and molecular biology." + Udforsk yderligere

Logistics of self-assembly processes

Sidste artikelKontrol af, hvordan ulige paroverflader og væsker interagerer

Næste artikelForskere retter blikket mod chalcogenid nanostrukturerede skærme