Los físicos de polímeros de la Universidad de Massachusetts Amherst informan hoy del comportamiento inesperado y previamente desconocido de una macromolécula cargada como el ADN incrustado en un hidrogel cargado, donde muestra lo que ellos llaman una incapacidad "topológicamente frustrada" para moverse o difundirse en elgel, un fenómeno que describen en la corriente Comunicaciones de la naturaleza .
El profesor de física de polímeros Murugappan "Muthu" Muthukumar, con el investigador postdoctoral Di Jia, utilizó técnicas de dispersión de la luz para estudiar el comportamiento de las moléculas de ADN grandes en un geomesh de 96 por ciento de agua, donde esperaban que se moviera muy lentamente, pero finalmente se difundecomo se comportarían todos los sistemas conocidos anteriormente.
Muthukumar explica: "Los científicos han sabido durante más de un siglo que todas las moléculas tienen movimiento browniano, es decir, se mueven y se difunden, incluido el ADN y otras moléculas muy grandes. La rapidez con que se difunden depende de la molécula, y las grandes puedensea muy lento. Esto es normal y es lo que hemos observado durante más de 100 años ".
Pero lo que Jia descubrió y Muthukumar confirmó con cálculos teóricos es que podría diseñar un hidrogel de 96 por ciento de agua usando un gel de muchos compartimentos para capturar una molécula de ADN grande que no puede difundirse en absoluto. De ahí su término, "frustrada topológicamentedinámica ", donde topológico se refiere a la idea de que una sola molécula se mantiene en muchas cámaras diferentes que constituyen el gel. Jia señala:" La molécula de ADN no puede moverse en absoluto, está atascada ".
Muthukumar agrega: "La técnica de captura de polímeros y moléculas en una suspensión líquida es importante para la terapia génica, por ejemplo, y en la terapia de tejidos donde queremos entregar macromoléculas y medicamentos grandes en un lugar específico y mantenerlos allí".
Para comprender el diseño de Jia, es útil imaginar una molécula atrapada en una malla cúbica de 30 compartimentos aproximadamente iguales, dice Muthukumar. Para difundir, uno de los compartimentos tiene que iniciar el movimiento ", pero para hacerlo, tiene quearrastre todos los otros 29 compartimientos junto con él. Intentará moverse, pero se frustrará, agitará sus alas, por así decirlo, y todo se quedará atascado. Localmente tiene algunas dinámicas, pero la movilidad en general se frustra. "
Agrega que el descubrimiento fue una sorpresa, "pero cuando lo piensas, tiene sentido que el cuerpo y sus tejidos deseen un sistema que pueda sostener macromoléculas como el ADN, para mantenerlos en su lugar. Ahora que tenemoshizo una comprensión teórica de este descubrimiento, creemos que es un fenómeno universal en el cuerpo, donde el ADN debe quedar atrapado en su lugar ".
Además, "Este modelo físico puede explicar un fenómeno biológico observado", dice. "Creo que los biólogos descubrirán que nuestra observación está ocurriendo en entornos abarrotados como la célula, y los investigadores que trabajan en la administración de medicamentos descubrirán cómo usarla."
Andrew Lovinger, oficial del programa de la Fundación Nacional de Ciencias NSF que apoyó la investigación, dice: "Este nuevo estado dinámico es realmente un descubrimiento sorprendente. Revisa la comprensión de los científicos sobre la difusión de polímeros y ayudará a impulsar la investigación fundamentalen ciencia de polímeros para sistemas biológicos y sintéticos "
Para estudiar tales sistemas, Jia realiza experimentos en los que manipula variables como la estructura del gel, la concentración de polímero y los pesos moleculares de las moléculas de la sonda. Luego captura varias moléculas diferentes dentro de diferentes geles y utiliza la dispersión de la luz para observar su comportamiento.El análisis de dispersión de luz funciona rastreando la dispersión de luz que emerge después de que un haz de luz se envía a un líquido con polímero suspendido en él. Un investigador capacitado puede determinar la estructura molecular del polímero, qué tan rápido y otras características de su movimiento. Jia es un experto consumadoen la técnica, señala Muthukumar.
Para este trabajo, Jia dice que experimentó con moléculas tanto sintéticas como naturales y que ambas exhibieron el mismo fenómeno. Además, pudo demostrar que si cada cámara de la estructura del gel no es lo suficientemente grande y la macromolécula se divide en partículas muy pequeñaspiezas, entonces podrá difundirse.
Muthukumar dice que ha estado pensando durante 20 años sobre cómo aprovechar las conformaciones de un polímero, haciéndolas útiles para una variedad de aplicaciones. "Para explorar esto hay que crear barreras", señala. "Me pregunté a mí mismo, ¿y sise deben superar múltiples barreras simultáneamente, ¿qué sucederá? Lo que creo que vemos son negociaciones simultáneas en curso. La matriz tiene su propio ligero movimiento en la dinámica del gel, y la molécula tiene su propia dinámica. Al final, encontramos el resultadoes tan simple para un sistema tan grande y complicado "
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Materiales proporcionados por Universidad de Massachusetts en Amherst . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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