Alla mikroskopiska föremål, från enzymer till färgpartiklar, skakar hela tiden, bombarderas av lösningsmedelspartiklar:detta kallas Brownsk rörelse. Hur förändras denna rörelse när föremålet är flexibelt istället för stelt? Ruben Verweij, Pepijn Moerman, och kollegor publicerade de första mätningarna i Physical Review Research .

Botanikern Robert Brown gav sitt namn till de skakiga rörelser han såg pollenkorn göra när han studerade dem 1827 under sitt mikroskop. Sedan dess, egenskaperna hos Brownsk rörelse har studerats intensivt:de orsakas av snabbrörliga vattenmolekyler som stöter in i de långsammare rörliga partiklarna, som förklarades av Einstein och Perrin i början av 1900 -talet.

Brownsk rörelse påverkar också biologiska mikroskopiska partiklar, såsom enzymer, RNA, och antikroppar. De flesta av dessa är inte stela utan flexibla:de kan ändra sin form och därmed, deras funktion.

Hur påverkar det deras Brownska rörelse? Förutsägelser som gjordes på 1980-talet kunde inte testas på länge, eftersom experimentella modellsystem med väldefinierade formförändringar, tillräckligt stor för att kunna observeras, fanns inte ännu.

Mikrometerstora pärlor

Detta ändras med publiceringen av Verweij och Moerman, ett samarbete med Willem Kegel, Jan Groenewold och Alfons van Blaaderen från Utrecht University. "Vi har byggt det enklaste modellsystemet man kan tänka sig för flexibla objekt i mikrometerstorlek, som du också kan studera under ett ljusmikroskop, säger Verweij.

Daniela Krafts grupp använder kolloider:mikrometerstora pärlor som rör sig i vatten och kan observeras med hjälp av ett mikroskop. Gruppen utvecklade en metod för att belägga kolloider i ett lipiddubbelskikt med insatta DNA-molekyler, som kan kopplas selektivt till DNA-molekyler runt en annan kolloidpartikel. Detta skapar ett gångjärn som fritt kan ändra form eftersom lipid -tvåskiktet runt partiklarna är flytande.

En serie av tre kolloider, kopplat på detta sätt, är modellsystemet. "Det är lätt att se flexibiliteten under mikroskopet, genom att spåra vinkeln som de tre gör, " säger Verweij. Han filmade ett 30-tal av dessa trillingar medan de spred sig, rör på sig, roterande, och stängning och öppning under bombardemang av omgivande vattenmolekyler.

Kvasi-mussla läge

Videorna analyserades, vilket ger den första experimentella jämförelsen mellan stel och flexibel Brownsk rörelse. Det första resultatet:flexibla partiklar rör sig något snabbare än styva. "Det är en liten men mätbar skillnad, cirka tre procent. Mer viktigt, vi hittade vissa kopplingar mellan formförändringar och förskjutningar, " säger Verweij. Innebörden av detta är subtil, och Verweij försöker förklara. "När en pilgrimsmussla aktivt stänger sitt skal, den kommer att röra sig framåt i riktning mot gångjärnspunkten. Vi hittade en liknande korrelation för våra små gångjärn, som endast rör sig passivt, och kalla det Brownian quasi-mussla läget."

Även om det är subtilt, forskarna observerar en definitiv statistisk korrelation mellan Browns öppning och stängning, och rörelsen som trillingen gör. Dessa korrelationer hade förutsetts, och har nu äntligen bekräftats.

Styv kontra flexibel

Till sist, författarna studerade effekten av tid. Flexibla trimers i en utökad konfiguration rör sig snabbare längs sin långa axel än längs sin korta axel, precis som stela partiklar. För styva partiklar, denna effekt försvinner med tiden på grund av deras rotationsrörelser. För flexibla partiklar, denna process sker snabbare eftersom de också ändrar form, vilket gör att denna föredragna riktning utjämnas.

Den takt med vilken detta händer, därför, beror starkt på flexibiliteten. "Det går från ungefär 30 sekunder för stela partiklar till 10 sekunder för flexibla, säger Verweij.

"Sådana mätningar är viktiga, eftersom många biologiska molekyler också är flexibla, och interaktioner mellan dem beror på detta. Till exempel, Lås-och-nyckelpassningen mellan ett protein och en receptor kan påverkas av Brownska formförändringar."

Komplexa kluster

Dessutom, flexibla kolloidgångjärn kan användas som modeller för enkla molekyler, där atomer är kopplade. Men medan molekyler inte kan lösas med hjälp av ett mikroskop, kolloiderna kan.

Resultaten och metoderna kan i slutändan vara användbara för forskning om läkemedel och sjukdomar, men, betonar Verweij, detta är grundforskning, främst inriktat på att förstå de underliggande fysiska processerna.

"Nu skulle vi vilja forska om längre och mer komplexa kluster, till exempel av fyra sfärer. Isåfall, det finns fler frihetsgrader, vilket naturligtvis gör beteendet ännu mer komplext och intressant. "