Siły cząsteczkowa: Zaskakujące rozciąganie zachowanie DNA

Eksperymenty z cząsteczek DNA wskazują, że ich właściwości mechaniczne są zupełnie odmienne od tego, co tych obiektów makroskopowych, a to ma ważne konsekwencje dla biologii i medycyny. Naukowcy z TU Wien (Wiedeń), teraz udało się wyjaśnienia tych właściwości w szczegółach, łącząc pomysły z inżynierii lądowej i fizyki.

Nieoczekiwane zachowanie na poziomie molekularnym

Na pierwszy rzut oka można by pomyśleć o podwójnej helisy DNA jako malutkie sprężyny, które można po prostu rozciągnąć i kompres tak jak byś zwykłym wiosną. Ale to nie jest takie proste: „Jeśli rozciągnąć kawałek DNA, byś rzeczywiście oczekiwać liczba zwojów, aby zmniejszyć, ale w niektórych przypadkach jest odwrotnie.” Gdy spirala staje się dłuższy, czasami przekręca się jeszcze bardziej, „mówi inżynier Johannes Kalliauer z Instytutu Mechaniki materiałów i konstrukcji w TU Wien.” Oprócz tego, cząsteczki DNA są o wiele bardziej plastyczny niż materiały zwykle zajmują się w inżynierii lądowej: mogą stać 70% dłużej pod naprężenia rozciągającego „.

Te dziwne właściwości mechaniczne DNA mają wielkie znaczenie dla biologii i medycyny: „Gdy informacja genetyczna jest odczytywany z cząsteczki DNA w żywej komórce, szczegóły geometrii można określić, czy wystąpi błąd odczytu, co w najgorszym przypadku może nawet powodować raka „, mówi Johannes Kalliauer. „Do tej pory, biologia molekularna musiał zostać spełniony za pomocą metod empirycznych wyjaśnić zależność między siłami i geometrii DNA.”

W swojej pracy doktorskiej, Johannes Kalliauer dostał się do dołu tej kwestii, a uczynił to w formie dość niezwykłej kombinacji przedmiotów: Jego praca była nadzorowana z jednej strony przez inżyniera Prof. Christian Hellmich, az drugiej przekazania przez prof Gerhard Kahl z Instytutu Fizyki Teoretycznej.

„Użyliśmy molekularnych metod dynamiki odtworzyć cząsteczkę DNA w skali atomowej na komputerze”, wyjaśnia Kalliauer. „Aby określić, w jaki sposób helisy DNA są kompresowane, rozciągane lub skręcone, a następnie obliczyć siły, które występują i ostatecznego położenia atomów.” Takie obliczenia są bardzo złożone i możliwe tylko przy pomocy dużych superkomputerów, Johannes Kalliauer użył Wiedeń Naukowym Cluster (VSC) w tym celu.

W ten sposób dziwne odkrycia doświadczalne mogą być explaned, takich jak intuicją powoduje, że w niektórych przypadkach nawet więcej nici DNA po rozciągnięciu. „Trudno sobie wyobrazić, na dużą skalę, ale na poziomie atomowym to wszystko ma sens”, mówi Johannes Kalliauer.

Dziwny świat pośredni

W ciągu atomowych modeli fizyki teoretycznej siły cząsteczkowych i odległości może być ustalona. Stosując pewne zasady opracowane przez zespół w oparciu o zasady z inżynierii lądowej i wodnej, odpowiednie ilości siła potrzebna do opisania nić DNA jako całość można następnie określić, w podobny sposób statyka belki w inżynierii lądowej i wodnej może być opisany za pomocą niektórych ważne właściwości przekroju.

„Pracujemy w ciekawy świata pośredniego tutaj, pomiędzy mikroskopowych i makroskopowych”, mówi Johannes Kalliauer. „Cechą szczególną tego projektu badawczego jest to, że naprawdę musisz obu perspektyw i trzeba je połączyć.”

Ta kombinacja znacząco różnych skalach wielkości odgrywa kluczową rolę w Instytucie Mechaniki Materiałów i Konstrukcji raz i jeszcze raz. Po tym wszystkim, właściwości materiałowe, że czujemy się codziennie na dużą skalę są zawsze określane przez zachowanie na poziomie mikro. Obecna praca, który został opublikowany w „Journal of Mechaniki i Fizyki Ciała Stałego,” ma pokazać z jednej strony, jak połączyć duże i małe naukowo dokładny sposób, a z drugiej strony do dnia pomagają lepiej zrozumieć zachowanie DNA, aż do wyjaśnienia chorób dziedzicznych.