Polymerfysiker vid University of Massachusetts Amherst rapporterar idag det oväntade och tidigare okända beteendet hos en laddad makromolekyl som DNA inbäddat i en laddad hydrogel, där det visar vad de kallar en "topologiskt frustrerad" oförmåga att röra sig eller diffundera i gelén, ett fenomen de beskriver i strömmen Naturkommunikation .

Polymerfysiker professor Murugappan "Muthu" Muthukumar, med postdoktorn Di Jia, använde ljusspridningstekniker för att studera stora DNA-molekylers beteende i en geomesh av 96 procent vatten, där de förväntade sig att det skulle gå mycket långsamt, men att så småningom diffundera som alla tidigare kända system skulle bete sig.

Muthukumar förklarar, "Forskare har vetat i mer än ett sekel att alla molekyler har Brownsk rörelse, det vill säga att de rör sig och sprider sig, inklusive DNA och andra mycket stora molekyler. Hur snabbt de diffunderar beror på molekylen, och stora kan vara väldigt långsamma. Detta är normalt och är vad vi har observerat i mer än 100 år."

Men vad Jia upptäckte och Muthukumar bekräftade med teoretiska beräkningar är att hon kunde designa en hydrogel av 96 procent vatten med hjälp av en gel med många fack för att fånga en stor DNA-molekyl som inte kan diffundera alls. Därav deras term, "topologiskt frustrerad dynamik, " där topologisk hänvisar till idén att en enda molekyl hålls i många olika kammare som utgör gelén. Jia noterar, "DNA-molekylen kan inte röra sig alls, den har fastnat."

Muthukumar tillägger, "Tekniken för att fånga polymerer och molekyler i en flytande suspension är viktig för genterapi, till exempel, och i vävnadsterapi där vi vill leverera makromolekyler och stora läkemedel till en specifik plats och behålla dem där."

För att förstå Jias design, det hjälper att föreställa sig en molekyl som är instängd i ett kubiskt nät med 30 ungefär lika stora fack, säger Muthukumar. För att sprida, ett av facken måste initiera rörelse, "men för att göra det, den måste dra alla andra 29 fack med sig. Den kommer att försöka röra sig, men det kommer att bli frustrerat, fladdrar med vingarna så att säga, och det hela kommer att sitta fast. Lokalt har det en viss dynamik, men rörligheten överlag är frustrerad."

Han tillägger att upptäckten var en överraskning, "men när du tänker efter, det är vettigt att kroppen och dess vävnader vill ha ett system som kan hålla fast vid makromolekyler som DNA, för att hålla dem på plats. Nu när vi har gjort en teoretisk förståelse av denna upptäckt, vi tror att det är ett universellt fenomen i kroppen, där DNA måste fångas på plats."

Ytterligare, "Denna fysiska modell kan förklara ett observerat biologiskt fenomen, " säger han. "Jag tror att biologer kommer att upptäcka att vår observation sker i trånga miljöer som cellen, och forskare som arbetar med läkemedelsleverans kommer att upptäcka hur man använder det."

Andrew Lovinger, National Science Foundation (NSF) programansvarig som stödde forskningen, säger, "Detta nya dynamiska tillstånd är verkligen en överraskande upptäckt. Den reviderar forskarnas sedan länge etablerade förståelse av polymerdiffusion, och kommer att hjälpa till att driva grundläggande forskning inom polymervetenskap för både biologiska och syntetiska system."

För att studera sådana system, Jia sätter upp experiment där hon manipulerar variabler som gelstruktur, polymerkoncentration och sondmolekylernas molekylvikter. Hon fångar sedan flera olika molekyler inuti olika geler och använder ljusspridning för att observera deras beteende. Dynamisk ljusspridningsanalys fungerar genom att spåra ljusspridning som uppstår efter att en ljusstråle skickas in i en vätska med polymer suspenderad i den. En utbildad forskare kan bestämma polymerens molekylstruktur, hur snabbt och andra egenskaper hos dess rörelse. Jia är en skicklig expert på tekniken, Muthukumar noterar.

För detta arbete, Jia säger att hon experimenterade med både syntetiska och naturliga molekyler och båda uppvisade samma fenomen. Också, hon kunde visa att om varje kammare i gelstrukturen inte är tillräckligt stor och makromolekylen delas upp i mycket små bitar, den kommer då att kunna diffundera.

Muthukumar säger att han i 20 år har funderat på hur man utnyttjar en polymers konformationer, vilket gör dem användbara för en mängd olika applikationer. "För att utforska detta måste du skapa barriärer, " påpekar han. "Jag frågade mig själv, tänk om flera hinder måste övervinnas samtidigt, vad kommer att hända? Vad jag tror att vi ser är samtidiga förhandlingar som pågår. Matrisen har sin egen lilla rörelse i geldynamik, och molekylen har sin egen dynamik. I slutet, vi fann att resultatet är så enkelt för ett så stort komplicerat system."