¿Puede la topología de los microobjetos influir en la forma en que se mueven en un fluido? Experimentos y simulaciones de investigadores polacos y suizos publicados en el Cartas de revisión física demuestre que la dinámica de las cadenas elásticas que se depositan en un fluido depende de la forma en que se anudan. Las cadenas de asentamiento forman estructuras toroidales planas compuestas de varios bucles entrelazados, que giran entre sí. El estudio es importante para la interpretación adecuada deExperimentos de sedimentación y centrifugación de biomoléculas.
En 1867, dos físicos escoceses, Peter Tait y William Thomson Lord Kelvin, estudiaban el movimiento de los anillos de humo producidos con la ayuda de un aparato especial. Quedaron fascinados por la estabilidad de su movimiento, poco después de los anillos.se formaron, tomaron forma de rosquilla y se tradujeron sin más cambios de forma.
Un anillo de humo es una forma especial de vórtice, en el cual su línea de vórtice forma un bucle. Kelvin demostró que en un fluido ideal tal vórtice persistiría para siempre. En particular, como argumentaba, si enredamos unlínea de vórtice en un nudo, nunca se desenredaría. Kelvin especuló que los átomos en sí mismos podrían ser vórtices anudados que circulan en el éter, con diferentes tipos de nudos correspondientes a diferentes elementos químicos.
Aunque este concepto no resistió la prueba del tiempo, las investigaciones de Kelvin y Tait condujeron a una nueva rama de las matemáticas: la teoría de los nudos. En física, los nudos, enlaces y otros sistemas de topología no trivial también están cada vez más extendidos.aparecen en la magnetohidrodinámica que describe, por ejemplo, los flujos de plasma cerca del sol, en la construcción de esquemas libres de fallas de computación cuántica, en la teoría cuántica de campos y en los condensados de Bose-Einstein. La topología también es importante para el funcionamiento de los sistemas biológicos.El ADN, debido a su larga longitud, se enreda fácilmente, al igual que los cables de los auriculares cuando se los guarda en un bolsillo. La célula necesita entonces reclutar enzimas especiales topoisomerasas para desenredar el ADN.
Los tipos de nudos de ADN se pueden determinar experimentalmente colocando el ADN en un campo eléctrico o usando una centrífuga. Como resultado, los bucles de ADN de diferentes topologías se mueven con diferentes velocidades bajo la acción de una fuerza externa. ¿Cuál es la razón subyacente?para esta conexión entre topología y dinámica? Esta pregunta ha sido analizada por Piotr Szymczak de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia en colaboración con Magdalena Gruziel y Maria Ekiel-Jezewska del Instituto de Investigación Técnica Fundamental de la Academia Polaca deSciences y Giovanni Dietler, Andrzej Stasiak y Krishnan Thyagarajan de Lausana.Para comprender mejor la conexión inesperada entre la topología y la dinámica del ADN, han diseñado un experimento de macroescala en el que el papel del ADN es desempeñado por cadenas de cuentas de acero anudadas.las cadenas se suspendieron en un aceite de silicio muy viscoso para asegurarse de que el carácter del flujo alrededor de la cadena de un centímetro sea similarr al flujo alrededor del circuito microscópico de ADN en agua.
Mientras se asentaron en un fluido viscoso, las cadenas se comportaron de una manera bastante inesperada, no muy diferente de los anillos de humo de Tait y Kelvin. Después de una reorganización inicial, las cadenas de acero alcanzaron una configuración plana, similar a un toro en un plano perpendicular a la gravedad. El toro consistía en uno o más bucles entrelazados, girando incesantemente uno alrededor del otro. El número de bucles y la forma en que se entrelazan dependen del tipo de nudo particular. Además, toda la estructura gira alrededor de su eje, en la dirección determinada por la mano.de un nudo.
Para explicar un comportamiento tan sorprendente de asentarse nudos, el equipo ha creado un modelo teórico de filamentos elásticos que se mueven en un fluido viscoso, y simuló su movimiento numéricamente. Las simulaciones han reproducido completamente la dinámica observada en el experimento. El modelo matemático estableció queEl movimiento coordinado de los bucles se debe a las interacciones hidrodinámicas mediadas por el fluido: el movimiento de una parte de la cadena induce un flujo que afecta a todas las otras partes y conduce al remolino sincronizado. Las características del movimiento dependían de la rigidezde las cadenas y las longitudes de las cadenas. Curiosamente, se puede demostrar que los vórtices de Kelvin y Tait, si se atan en un nudo, realizarían exactamente el mismo movimiento que las cadenas de asentamiento. Las cadenas de asentamiento pueden verse como visualizaciones del vórtice de Kelvinátomos, si existieran ...
El resultado más importante de este trabajo es la demostración de que los bucles anudados elásticos forman estructuras toroidales estables mientras se asientan en un fluido viscoso. Este resultado es importante para la interpretación adecuada de los experimentos de sedimentación y centrifugación, ya que desafía los experimentos a menudo realizadossuposición de que el ADN se deposita bajo la gravedad en forma de un bulto desordenado.
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Materiales proporcionado por Facultad de Física Universidad de Varsovia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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