I fisici dei polimeri dell'Università del Massachusetts Amherst stanno oggi segnalando il comportamento inaspettato e precedentemente sconosciuto di una macromolecola carica come il DNA incorporato in un idrogel carico, dove mostra quella che chiamano un'incapacità "topologicamente frustrata" di muoversi o diffondersi nel gel, un fenomeno che descrivono nella corrente Comunicazioni sulla natura .

Il fisico dei polimeri professore Murugappan "Muthu" Muthukumar, con il ricercatore postdottorato Di Jia, ha utilizzato tecniche di diffusione della luce per studiare il comportamento di grandi molecole di DNA in una geomesh di 96% di acqua, dove si aspettavano che si muovesse molto lentamente, ma alla fine diffondersi come si comporterebbe tutti i sistemi precedentemente conosciuti.

Muthukumar spiega, "Gli scienziati sanno da più di un secolo che tutte le molecole hanno moto browniano, cioè si muovono e si diffondono, compreso il DNA e altre molecole molto grandi. La velocità con cui si diffondono dipende dalla molecola, e quelli grandi possono essere molto lenti. Questo è normale ed è quello che abbiamo osservato per più di 100 anni".

Ma ciò che Jia ha scoperto e Muthukumar ha confermato con calcoli teorici è che potrebbe progettare un idrogel di acqua al 96 percento utilizzando un gel a molti compartimenti per catturare una grande molecola di DNA che non è in grado di diffondere affatto. Da qui il loro termine, "dinamiche topologicamente frustrate, " dove topologico si riferisce all'idea che una singola molecola è contenuta in molte camere diverse che costituiscono il gel. Jia osserva, "La molecola del DNA non può muoversi affatto, è bloccato."

Muthukumar aggiunge, "La tecnica di catturare polimeri e molecole in una sospensione liquida è importante per la terapia genica, Per esempio, e nella terapia dei tessuti, dove vogliamo fornire macromolecole e grandi farmaci in un luogo specifico e tenerli lì".

Per capire il design di Jia, aiuta immaginare una molecola intrappolata in una maglia cubica di 30 scomparti approssimativamente uguali, dice Muthukumar. Per diffondere, uno degli scomparti deve iniziare il movimento, "ma per farlo, deve trascinare con sé tutti gli altri 29 scomparti. Cercherà di muoversi, ma sarà frustrato, sbattendo le ali per così dire, e l'intera cosa sarà bloccata. A livello locale ha alcune dinamiche, ma la mobilità in generale è frustrata."

Aggiunge che la scoperta è stata una sorpresa, "ma se ci pensi, ha senso che il corpo e i suoi tessuti vogliano un sistema in grado di trattenere macromolecole come il DNA, per mantenerli in posizione. Ora che abbiamo fatto una comprensione teorica di questa scoperta, pensiamo che sia un fenomeno universale nel corpo, dove il DNA deve essere intrappolato sul posto."

Ulteriore, "Questo modello fisico può spiegare un fenomeno biologico osservato, " dice. "Penso che i biologi scopriranno che la nostra osservazione sta avvenendo in ambienti affollati come la cella, e i ricercatori che lavorano sulla somministrazione dei farmaci scopriranno come utilizzarli".

Andrew Lovinger, il funzionario del programma della National Science Foundation (NSF) che ha sostenuto la ricerca, dice, "Questo nuovo stato dinamico è davvero una scoperta sorprendente. Rivede la comprensione consolidata degli scienziati sulla diffusione dei polimeri, e contribuirà a guidare la ricerca fondamentale nella scienza dei polimeri sia per i sistemi biologici che per quelli sintetici."

Per studiare tali sistemi, Jia organizza esperimenti in cui manipola variabili come la struttura del gel, concentrazione del polimero e pesi molecolari delle molecole sonda. Quindi cattura diverse molecole all'interno di gel diversi e utilizza la diffusione della luce per osservare il loro comportamento. L'analisi della diffusione della luce dinamica funziona monitorando la diffusione della luce che emerge dopo che un raggio di luce è stato inviato in un liquido con un polimero sospeso al suo interno. Un ricercatore esperto può determinare la struttura molecolare del polimero, quanto velocemente e altre caratteristiche del suo movimento. Jia è un esperto esperto nella tecnica, Note Muthukumar.

Per questo lavoro, Jia dice di aver sperimentato sia molecole sintetiche che naturali ed entrambe hanno mostrato lo stesso fenomeno. Anche, è stata in grado di dimostrare che se ogni camera della struttura del gel non è abbastanza grande e la macromolecola viene suddivisa in pezzi molto piccoli, sarà poi in grado di diffondersi.

Muthukumar afferma di aver pensato per 20 anni a come sfruttare le conformazioni di un polimero, rendendoli utili per una varietà di applicazioni. "Per esplorare questo devi creare barriere, " fa notare. "Mi sono chiesto, cosa succede se più barriere devono essere superate contemporaneamente, cosa accadrà? Quello che penso vediamo sono negoziati simultanei in corso. La matrice ha il suo leggero movimento nella dinamica del gel, e la molecola ha le sue dinamiche. Alla fine, abbiamo scoperto che il risultato è così semplice per un sistema così grande e complicato."