Tidskomplexitet. (A–C) Den minimala monteringstiden T min 90 i de fyra scenarierna beroende av storleken S på målstrukturen som erhållits från stokastiska simuleringar för olika dimensioner av strukturerna:(A) 1D, (B) 2D och (C) 3D. Den reaktiva tidsskalan (Cν) −1 definierar den grundläggande tidsskalan i systemet, som beror på den initiala koncentrationen C av monomerer per art. Därför mäts den minimala monteringstiden i enheterna (Cν) −1 . Varje datapunkt representerar ett medelvärde över flera oberoende realiseringar av den stokastiska simuleringen för samma (optimala) parametervärde, bestämt av ett parametersvep (SI Appendix, avsnitt 1). Vi finner maktlagsberoenden för den minimala monteringstiden på storleken på målstrukturen. Motsvarande tidskomplexitetsexponenter θsim som resulterar från simuleringarna sammanfattas i tabellerna i A–C tillsammans med deras teoretiska uppskattningar θth (vilket vi härleder i SI-bilaga, avsnitt 3). Vi anger scenarierna som rev, reversibel bindning; agera, aktivering; jis, just-in-sequence; och mörk, dimerisering. Kredit:DOI:10.1073/pnas.2116373119
Forskare från Ludwig Maximilian University of München har utvecklat en ny strategi för att tillverka strukturer i nanoskala på ett tids- och resurseffektivt sätt.
Makromolekyler som cellulära strukturer eller viruskapsider kan uppstå från små byggstenar utan extern kontroll för att bilda komplexa rumsliga strukturer. Denna självorganisering är ett centralt inslag i biologiska system. Men sådana självorganiserade processer blir också allt viktigare för att bygga komplexa nanopartiklar i nanoteknologiska tillämpningar. I DNA-origami, till exempel, skapas större strukturer av individuella baser.
Men hur kan dessa reaktioner optimeras? Det är frågan som LMU-fysikern Prof. Erwin Frey och hans team undersöker. Forskarna har nu utvecklat ett tillvägagångssätt baserat på konceptet tidskomplexitet, vilket gör att nya strategier kan skapas för effektivare syntetisering av komplexa strukturer, som de rapporterar i tidskriften PNAS .
Ett begrepp från datavetenskapen
Tidskomplexitet beskriver ursprungligen problem från informatikområdet. Det handlar om att undersöka hur den tid som behövs för en algoritm ökar när det finns mer data att bearbeta. När till exempel datavolymen fördubblas kan tiden som krävs fördubblas, fyrdubblas eller öka till en ännu högre effekt. I värsta fall ökar körtiden för algoritmen så mycket att ett resultat inte längre kan matas ut inom en rimlig tidsram.
"Vi tillämpade detta koncept på självorganisering", förklarar Frey. "Vårt tillvägagångssätt var:Hur förändras tiden som krävs för att bygga stora strukturer när antalet enskilda byggstenar ökar?" Om vi antar – analogt med fallet vid beräkningar – att den erforderliga tidsperioden ökar med en mycket hög effekt när antalet komponenter ökar, skulle detta praktiskt taget omöjliggöra synteser av stora strukturer. "Som sådan vill människor utveckla metoder där tiden så lite som möjligt beror på antalet komponenter", förklarar Frey.
LMU-forskarna har nu genomfört sådana tidskomplexitetsanalyser med hjälp av datorsimuleringar och matematisk analys och utvecklat en ny metod för att tillverka komplexa strukturer. Deras teori visar att olika strategier för att bygga komplexa molekyler har helt olika tidskomplexitet — och därmed också olika effektivitet. Vissa metoder är mer, och andra mindre, lämpliga för att syntetisera komplexa strukturer inom nanoteknik. "Vår tidskomplexitetsanalys leder till en enkel men informativ beskrivning av självmonteringsprocesser för att exakt förutsäga hur parametrarna i ett system måste kontrolleras för att uppnå optimal effektivitet", förklarar Florian Gartner, medlem i Freys grupp och huvudförfattare till tidningen.
Teamet visade användbarheten av den nya metoden med hjälp av ett välkänt exempel från nanoteknikområdet:Forskarna analyserade hur man effektivt tillverkar ett mycket symmetriskt viralt hölje. Datorsimuleringar visade att två olika monteringsprotokoll ledde till hög avkastning på kort tid.
En ny strategi för självorganisering
När de tidigare utfört sådana experiment har forskare förlitat sig på en experimentellt komplicerad metod som innebär att modifiera bindningsstyrkorna mellan enskilda byggstenar. "Däremot är vår modell uteslutande baserad på att kontrollera tillgängligheten för de enskilda byggstenarna, vilket erbjuder ett enklare och mer effektivt alternativ för att reglera artificiella självorganiseringsprocesser", förklarar Gartner. Med hänsyn till sin tidseffektivitet är den nya tekniken jämförbar, och i vissa fall bättre, än etablerade metoder. "Mest av allt lovar detta schema att vara mer mångsidigt och praktiskt än konventionella monteringsstrategier", säger fysikern.
"Vårt arbete presenterar ett nytt konceptuellt tillvägagångssätt för självorganisering, som vi är övertygade om kommer att vara av stort intresse för fysik, kemi och biologi", säger Frey. "Dessutom lägger den fram konkreta praktiska förslag till nya experimentella protokoll inom nanoteknik och syntetisk och molekylärbiologi." + Utforska vidare
