Dagli intricati schemi dei granelli di polline alle spirali logaritmiche dei gusci di nautilus, la biologia è piena di schemi complessi, forme, e geometrie. Molte di queste strutture complesse svolgono ruoli importanti nella funzione biologica, ma può essere difficile da creare in un laboratorio senza attrezzature all'avanguardia o processi e materiali costosi e che consumano energia.

Un nuovo studio descrive come le sfere possono essere trasformate in fusi contorti grazie alle intuizioni degli strumenti di navigazione del XVI secolo. I ricercatori mostrano come i polimeri possono contrarsi in strutture a spirale, conosciuti come lossodromi, che hanno motivi complessi dieci volte più piccoli della larghezza di un capello umano. Pubblicato in Lettere di revisione fisica , la ricerca è stata condotta dalla studentessa laureata dell'Università della Pennsylvania Helen Ansell, postdoc Daeseok Kim, e i professori Randall Kamien ed Eleni Katifori nella School of Arts and Sciences, in collaborazione con Teresa Lopez-Leon dell'École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI).

Kim, che ha lavorato a questo progetto presso ESPCI prima di venire in Penn, è stato ispirato da altri studi che mostrano che una miscela di polimero e cristalli liquidi assume una nuova forma quando viene posta in un solvente diverso. Era un cambiamento che era anche reversibile e riproducibile, con poca o nessuna energia necessaria per causare il cambiamento di forma.

Per comprendere gli interessanti cambiamenti conformazionali che Kim aveva visto in laboratorio, cercò teorici che potessero aiutare a dare un senso al modo in cui la geometria del polimero lo induceva a torcersi e contrarsi. Dopo aver visto le immagini microscopiche e i dati raccolti e analizzati da Kim, Ansell aveva un'idea iniziale di quale potesse essere la struttura del fuso:una lossodromia.

Più comunemente chiamate lossodromie, una lossodromia è un arco che segue un angolo costante mentre taglia una sfera. I marinai del XVI-XIX secolo usavano queste linee per navigare, permettendo loro di impostare le loro bussole su una rotta costante in modo che la loro nave non debba cambiare rotta.

"Abbiamo cercato di capire se fosse così, " Ansell dice di indagare se la sua ipotesi fosse corretta. "Pensiamo di aver trovato questi lossodromi, quindi abbiamo dovuto confrontare l'aspetto con i dati".

Ansell ha quindi sviluppato un modello matematico che descrive come le sfere si allungano e si attorcigliano utilizzando la geometria della lossodromia come punto di partenza. Confrontando i risultati della sua teoria con i dati generati da Kim, è stata in grado di dimostrare che cambiando il solvente i polimeri si restringevano, che ha fatto sì che la sua forma si attorcigliasse mentre le catene polimeriche lungo le linee di longitudine della sfera si accorciavano.

Nella parte superiore dei mandrini ci sono spirali da un micron, quasi cento volte più piccolo della larghezza di un capello umano. La creazione di modelli artificiali così piccoli di solito richiede metodi e attrezzature costose, ma questo metodo per realizzare strutture su piccola scala autoassemblate utilizzando materiali di partenza su scala del corso è molto più semplice.

La lossodrome polimerica è l'ultima scoperta che approfondisce gli interessi del gruppo Kamien nel crossover tra chimica e geometria. Kamien dice che molte interazioni in biologia, come il ripiegamento delle proteine, risposte immunitarie, e anche odore, è solitamente raffigurato come un legame chimico, ma sottolinea che la geometria guida anche molto di ciò che accade in biologia.

"Pensa alle proteine, "dice Camino, "Hai questi diversi amminoacidi, e si attraggono in modi diversi, ma quando hai finito, hai questo globo gigante, e c'è questa piccola tasca che raccoglie i residui, quindi ci pensi geometricamente. La spiegazione di Helen è completamente geometrica:non implica nulla di specifico su come funziona la rilegatura".

Per Kim, questa ricerca è un entusiasmante primo passo per lo studio di strutture uniche in altri sistemi biologici. Progettando nuovi tipi di particelle polimeriche e testandole in condizioni diverse, spera di saperne di più su come funzionano gli azionamenti della forma, soprattutto nei sistemi che si attorcigliano e si contraggono. "Potremmo studiare della materia biologica in natura imitando un modello topologico simile, " lui dice, "E possiamo risolvere o studiare qualche problema complesso in natura."

Ora, del tutto casualmente, Gli sforzi di Ansell hanno gettato le basi per un altro progetto non correlato su cui era rimasta bloccata per un po' di tempo e che sembra avere anche una soluzione lossodromica.

"Appaiono semplicemente, "dice a proposito della forma del fuso attorcigliato.

"Come ha detto Pasteur, la fortuna aiuta la mente preparata, " aggiunge Kamien. "Ora, siamo pronti a cercarli".