Cuando grandes fuerzas, por ejemplo en la construcción de puentes, actúan sobre una viga pesada, la viga se deformará ligeramente. Calcular la relación entre fuerzas, tensiones internas y deformaciones es una de las tareas estándar en ingeniería civil. Pero, ¿qué sucede cuandoaplicar estas consideraciones a objetos diminutos, por ejemplo, ¿a una única doble hélice de ADN?
Los experimentos con moléculas de ADN muestran que sus propiedades mecánicas son completamente diferentes de las de los objetos macroscópicos, y esto tiene importantes consecuencias para la biología y la medicina. Los científicos de TU Wien Viena ahora han logrado explicar estas propiedades en detalle combinandoideas de la ingeniería civil y la física.
Comportamiento inesperado a nivel molecular
A primera vista, podría pensar en la doble hélice del ADN como un pequeño resorte que simplemente puede estirar y comprimir como lo haría con un resorte ordinario. Pero no es tan simple: "Si estira un trozo de ADN, en realidad se esperaría que el número de vueltas disminuya. Pero en ciertos casos ocurre lo contrario: "Cuando la hélice se alarga, a veces se tuerce aún más", dice el ingeniero civil Johannes Kalliauer del Instituto de Mecánica de Materiales y Estructuras deTU Wien. "Aparte de eso, las moléculas de ADN son mucho más dúctiles que los materiales con los que solemos trabajar en la ingeniería civil: pueden llegar a ser un 70% más largos bajo tensión de tracción".
Estas extrañas propiedades mecánicas del ADN son de gran importancia para la biología y la medicina: "Cuando se lee la información genética de la molécula de ADN en una célula viva, los detalles de la geometría pueden determinar si se produce un error de lectura, que en el peor de los casosEl caso incluso puede causar cáncer ", dice Johannes Kalliauer." Hasta ahora, la biología molecular ha tenido que conformarse con métodos empíricos para explicar la relación entre las fuerzas y la geometría del ADN ".
En su disertación, Johannes Kalliauer llegó al fondo de este número, y lo hizo en forma de una combinación bastante inusual de temas: su trabajo fue supervisado por un lado por el ingeniero civil Prof. Christian Hellmich, ypor otro lado, por el profesor Gerhard Kahl del Instituto de Física Teórica.
"Usamos métodos de dinámica molecular para reproducir la molécula de ADN en una escala atómica en la computadora", explica Kalliauer. "Usted determina cómo se comprimen, estiran o retuercen las hélices de ADN, y luego calcula las fuerzas que ocurren y laposición final de los átomos ". Tales cálculos son muy complejos y solo son posibles con la ayuda de grandes supercomputadoras; Johannes Kalliauer utilizó el cúmulo científico de Viena VSC para este propósito.
De esa manera, los extraños hallazgos experimentales podrían explicarse, como el resultado contrario a la intuición de que en ciertos casos el ADN se retuerce aún más cuando se estira. "Es difícil de imaginar a gran escala, pero a nivel atómico todo tiene sentido", dice Johannes Kalliauer.
Mundo intermedio extraño
Dentro de los modelos atómicos de la física teórica, se pueden determinar las fuerzas y distancias interatómicas. Usando ciertas reglas desarrolladas por el equipo basadas en principios de ingeniería civil, se pueden determinar las cantidades de fuerza relevantes requeridas para describir la cadena de ADN en su conjunto:- similar a la forma en que se puede describir la estática de una viga en la ingeniería civil usando algunas propiedades importantes de la sección transversal.
"Estamos trabajando en un interesante mundo intermedio aquí, entre lo microscópico y lo macroscópico", dice Johannes Kalliauer. "Lo especial de este proyecto de investigación es que realmente necesitas ambas perspectivas y tienes que combinarlas".
Esta combinación de escalas de tamaño significativamente diferentes juega un papel central en el Instituto de Mecánica de Materiales y Estructuras una y otra vez. Después de todo, las propiedades de los materiales que sentimos todos los días a gran escala siempre están determinadas por el comportamiento a nivel micro. El trabajo actual, que ahora se ha publicado en el " Revista de Mecánica y Física de Sólidos , "pretende mostrar, por un lado, cómo combinar lo grande y lo pequeño de una manera científicamente exacta y, por otro lado, ayudar a comprender mejor el comportamiento del ADN, hasta la explicación de las enfermedades hereditarias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena . Original escrito por Florian Aigner. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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