En konstruerad sträng av mikronvida pärlor kan ta upp spelet där datormodellering misslyckas forskare som studerar böjningen, vikning och andra rörelser av polymerer eller biomolekyler som aktin och DNA.

Rice University kemiska och biomolekylära ingenjör Sibani Lisa Biswal och hennes studenter – huvudförfattaren Steve Kuei, en doktorand, och medförfattare Burke Garza, en grundutbildning skapade strängar av polystyrenpärlor förstärkta med järn för att magnetisera dem och med streptavidin, ett naturligt protein som fungerar som en fjädrande länk mellan dem.

De placerade strängarna i lösningar och manipulerade dem med ett roterande magnetfält. Vissa trådar gjordes för att vara styva, vissa lite böjliga och vissa mycket mer flexibla. Genom att applicera en yttre magnetisk kraft, forskarna kunde se hur varje typ av sträng reagerade och jämförde resultaten med datormodeller av strängar som hade samma egenskaper.

Biswal sa att den nya plattformen låter forskare studera hur strängar av olika typer beter sig under dynamiska förhållanden på ett skalbart sätt som inte är möjligt med simuleringar på grund av den höga beräkningskostnaden. Det kan gynna forskare som studerar proteiner, DNA och RNA i biologiska system eller de som studerar flytande egenskaper hos polymerer som trasslar in för att skapa geler eller ordnings- och packningsdensiteten hos flytande kristaller.

"Jag kan se människor som använder det här för att studera det praktiska med att bygga, säga, mikrorobotar med viftande svansar, eller robotar som kan rulla ihop sig, ", sa Biswal. Eftersom tekniken kunde modellera flagellära rörelser i en flytande miljö, det kan också bidra till att göra konstgjorda organismer möjliga, Hon sa.

Forskningen visas i tidskriften American Physical Society Fysiska granskningsvätskor .

Rice-teamet visste att det redan fanns massor av information tillgänglig om stela och flexibla strängar, filament och fibrer och hur de rörde sig på grund av Brownsk rörelse eller som svar på skjuvkrafter eller andra krafter. Men det fanns väldigt lite data om semiflexibla fibrer som aktin, kolnanorör och flimmerhår.

"Det finns ett stort intresse för material som viker sig till komplexa geometrier, men även enkla saker som att knyta en knut i makroskalan är väldigt svåra i mikroskalan, " Sa Biswal. "Så vi utvecklade en metod för att låta oss titta på de dynamiska krafterna som är involverade. Förmågan att konstruera olika flexibiliteter i detta material är dess verkliga kraft."

Strängarna isolerade i vätska kan skakas eller röras om, men Rice-teamet byggde en enhet för att rotera magnetfältet som berörde varje pärla med försiktig kraft. De observerade strängar som reagerade på olika sätt beroende på graden av inbyggd flexibilitet och/eller elasticitet.

Stela stavar roterade helt enkelt i samklang med magnetfältet. De med lite mer flexibilitet "viftade" på svansen i det rörliga fältet, och mitten skulle vända sig när svansarna slappnade av. Längre och mer flexibla strängar var benägna att rulla sig, så småningom komprimeras till en form med mindre motstånd som gjorde att de kunde bete sig som sina stela bröder.

"För det mesta är strängar öppna tills du slår på det roterande fältet och de skrynklas ihop, ", sa Biswal. "Det förändrar de underliggande vätskeegenskaperna, eftersom de går från att ta mycket plats till att ta upp väldigt lite. En vätska med snören kan gå från att bete sig som honung till att bete sig som vatten."

Sådana effekter kan inte ses direkt med proteiner som både är flera storleksordningar mindre och ändå har för många pärlor - resterna - för att enkelt simulera deras vikning, sa Biswal.

"Det har gjorts en del arbete med fluorescensmärkt DNA och andra biofilmer som aktin, men de kan inte få den pärla-till-pärla-upplösning som vi kan med vår metod, " sa hon. "Vi kan faktiskt se positionerna för alla våra partiklar."

Strängar i den aktuella studien hade upp till 70 pärlor. Forskarna planerar att göra kedjor upp till 1, 000 pärlor för framtida studier om mer komplicerad vikningsdynamik.