forças moleculares: O comportamento de alongamento surpreendente de DNA

Experimentos com moléculas de DNA mostram que as suas propriedades mecânicas são completamente diferentes do que aqueles de objetos macroscópicos, e isso tem consequências importantes para a biologia e medicina. Cientistas da TU Wien (Viena) já conseguiu explicar essas propriedades em detalhe, combinando ideias de engenharia civil e física.

comportamento inesperado, a nível molecular

À primeira vista, você poderia pensar em dupla hélice do DNA como uma mola minúscula que você pode simplesmente esticar e comprimir assim como você faria uma mola comum. Mas não é tão simples assim: "Se você esticar um pedaço de DNA, você realmente esperar que o número de voltas para diminuir, mas em certos casos, o oposto é verdadeiro:". Quando a hélice fica mais longo, às vezes torce ainda mais, "diz o engenheiro civil Johannes Kalliauer do Instituto de Mecânica dos materiais e Estruturas em TU Wien." Além disso, as moléculas de DNA são muito mais dúctil que os materiais que normalmente lidar com em engenharia civil: Eles podem se tornar 70% mais por tracção ".

Estas estranhas propriedades mecânicas de DNA são de grande importância para a biologia e medicina: "Quando a informação genética é lida a partir da molécula de DNA em uma célula viva, os detalhes da geometria pode determinar se um erro de leitura ocorre, o que, no pior caso lata até mesmo causar câncer ", diz Johannes Kalliauer. "Até agora, biologia molecular teve que se contentar com métodos empíricos para explicar a relação entre as forças e a geometria do DNA."

Em sua dissertação, Johannes Kalliauer chegou ao fundo desta questão, e fê-lo sob a forma de uma combinação bastante incomum de assuntos: Seu trabalho foi supervisionado por um lado pelo engenheiro civil Prof. Christian Hellmich, e, por outro entregar pelo Prof. Gerhard Kahl do Instituto de Física teórica.

"Nós usamos métodos de dinâmica molecular para reproduzir a molécula de DNA em escala atômica no computador", explica Kalliauer. "Você determina como as hélices de DNA são compactados, esticada ou torcido, e então você calcular as forças que ocorrem e a posição final dos átomos." Tais cálculos são muito complexos e só é possível com a ajuda de grandes supercomputadores, Johannes Kalliauer usou a Viena Cluster Científico (VSC) para esta finalidade.

Dessa forma, os resultados experimentais estranhos poderiam ser explaned, como o resultado contra-intuitivo que em certos casos as voltas de DNA ainda mais quando esticado. "É difícil imaginar em grande escala, mas em nível atômico, tudo faz sentido", diz Johannes Kalliauer.

mundo intermediário estranho

Dentro dos modelos atômicos da física teórica, as forças interatômicas e distâncias pode ser determinada. Usando certas regras desenvolvidas pela equipe baseada em princípios de engenharia civil, as quantidades de força relevantes necessárias para descrever a cadeia de DNA como um todo pode então ser determinada, semelhante à maneira como a estática de um feixe em engenharia civil pode ser descrito usando algum importante propriedades transversais.

"Estamos trabalhando em um mundo intermediário interessante aqui, entre o microscópico eo macroscópico", diz Johannes Kalliauer. "A coisa especial sobre este projeto de pesquisa é que você realmente precisa de ambas as perspectivas e você tem que combiná-los."

Esta combinação de significativamente diferentes escalas de tamanho desempenha um papel central no Instituto de Mecânica dos Materiais e Estruturas e outra vez. Afinal de contas, as propriedades do material que sentimos todos os dias em grande escala são sempre determinadas pelo comportamento no nível micro. O trabalho atual, que já foi publicado no "Jornal da Mecânica e Física dos sólidos", pretende-se mostrar, de um lado como combinar o grande eo pequeno em uma maneira cientificamente exata e, por outro lado, a ajuda a entender melhor o comportamento de DNA, estabelece direito à explicação de doenças hereditárias.