پژوهشگران دانشگاه ریس فیزیک مخفی شکلگیری گره در سیالات را کشف کردند
این کشف میتواند به پیشرفت تحقیقات DNA و مواد نسل آینده منجر شود
گرهها در همهجا وجود دارند — از هدفونهای بههمپیچیده تا رشتههای DNA فشردهشده درون ویروسها — اما چگونگی اینکه یک فیلامان تنها بدون برخورد یا تحریک خارجی خود را گره بزند، همچنان معمایی دیرینه در فیزیک ماده نرم است.
اکنون تیمی از پژوهشگران دانشگاه ریس، دانشگاه جورجتاون و دانشگاه ترینتو در ایتالیا مکانیزم فیزیکی شگفتانگیزی را کشف کردهاند که توضیح میدهد چگونه یک فیلامان منفرد، حتی اگر کوتاه یا سفت باشد که بهراحتی نتواند بهخود بپیچد، میتواند در حین غوطهور شدن در مایع تحت نیروی گرانشی قوی، گره بزند. این کشف که در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، بینش جدیدی درباره فیزیک دینامیک پلیمرها فراهم میآورد و پیامدهایی از درک رفتار DNA تحت محدودیت تا طراحی مواد نرم نسل آینده و نانوساختارها دارد.
“بهطور ذاتی برای یک فیلامان منفرد و ایزوله دشوار است که بهتنهایی گره بزند،” گفت سیبانی لیزا بیسوال، نویسندهٔ مسئول، رئیس دپارتمان مهندسی شیمی و زیستمولکولی دانشگاه ریس و استاد ویلیام م. مککاردِل در مهندسی شیمی. “چیزی که در این مطالعه شگفتانگیز است این است که یک مکانیزم بهسختی ساده و زیبا نشان میدهد که فیلامان میتواند صرفاً بهدلیل نیروهای تصادفی که هنگام تهنشین شدن در مایع زیر نیروی گرانشی قوی تجربه میکند، گره بزند.”
با استفاده از شبیهسازیهای دینامیک براونی، پژوهشگران نشان دادند که همانطور که یک فیلامان نیمهقابل انعطاف در مایع غلیظی سقوط میکند — مشابه شرایط در سانتریفیوژ فوقالعاده — جریانهای هیدرودینامیکی در مقیاس طولانی میتوانند فیلامان را بهخود خم و تا کنند. این جریانها بخشی از فیلامان را بهصورت سر فشرده متمرکز میکنند و مابقی را بهیک دمِ دنبالکننده کشیده میشود، بهطوری که ساختاری ایجاد میکند که حلقهها میتوانند تقاطع پیدا کرده و بهصورت گرههای پایدار قفل شوند.
“ما دریافتم این گرهها صرفاً ظاهر نمیشوند؛ بلکه از طریق یک سلسلهمراتب دینامیک تکامل مییابند، محکمتر و بازآرمانده میشوند تا به توپولوژیهای پایدارتر برسند، تقریباً همانند فرآیند آنیلینگ (پخت).” گفت فِرد مکینتوس، نویسندههمکار مسئول و پروفسور جِی اس. آبِرکامبی در مهندسی شیمی و زیستمولکولی و استاد شیمی، فیزیک و اخترشناسی در دانشگاه ریس. “این مکانیزم دیدگاهی نوین به این میدهد که چگونه ساختارهای پیچیده میتوانند تحت جریان و نیرویی خودسازماندهی شوند.”
شبیهسازیها نشان دادند که میدانهای گرانشی قویتر نه تنها احتمال تشکیل گره را افزایش میدهند بلکه پایداری آنها را نیز تقویت میکنند، و فیلامانهای انعطافپذیرتر بهراحتی انواع مختلفی از گرهها را میسازند. در میدانهای گرانشی قوی، گرهها برای دورههای طولانی باقی میمانند، که توسط کشش درون فیلامان بهدلیل هیدرودینامیک و اصطکاک بین بخشها تثبیت میشود — این امکان را میدهد که سیستم به پیکربندیهای پیچیده و طولانیعمر دست یابد.
“وقتی برای اولین بار پیکربندیهای گرهدار پایدار را در شبیهسازیهایمان مشاهده کردم، شگفتزده شدم.” گفت لوکاس ه.پی. کونها، نویسندهٔ اول و دانشجوی دکترای پیشین دانشگاه ریس که هماکنون پژوهشگر پسادکترا در دانشگاه جورجتاون است. “کدگشایی مکانیزمهای این پدیده مسیر هیجانانگیزی بود که شواهد قویای از نقش کلیدی هیدرودینامیک در مقیاسهای کوچک را نشان داد.”
گرهزدن پلیمرها نقش حیاتی در سیستمهای زیستی دارد. پروتئینها و سایر ماکرومولکولها میتوانند گرههایی بسازند که رفتار و عملکردشان را درون سلولها تحت تأثیر قرار میدهد. در برخی موارد این گرهها مفیدند؛ در برخی دیگر خنثی هستند و در برخی، مانند DNA ژنومی، میتوانند ضرررسان باشند. شناخت چگونگی شکلگیری و تثبیت این گرهها پایهای نوین برای تفسیر فرآیندهایی چون بستهبندی ژنوم، الکتروفورز و انتقال از طریق نانوپور ارائه میدهد.
«این مطالعه درک ما از چگونگی تأثیر نیروها و جریانها بر رفتار پلیمرها را تعمیق میبخشد»، بیسوال گفت. «این پژوهش راهی را برای طراحی مواد جدید باز میکند که ویژگیهای مکانیکی آنها توسط توپولوژیشان برنامهریزی میشود، نه تنها ترکیبشان.»
فراتر از حوزهٔ زیستشناسی، این یافتهها میتوانند به روشهای نوظهور در ساخت نانومواد کمک کنند؛ جایی که کنترل گرهزدن میتواند به تولید ساختارهای الگودار یا مکانیکی تقویتشده منجر شود، و همچنین میتواند بینشی برای بهبود ابزارهای جداسازی و شناسایی در مقیاس بزرگ، که در آزمایشگاهها و صنعت به کار میروند، فراهم آورد.
«گرهزدن مبتنی بر میدان میتواند آیندهای مقیاسپذیر برای آنچه پژوهشگران امروزه «کارخانههای گره» مینامند ارائه دهد»، مکینتوس گفت. «با آموختن چگونگی بهرهبرداری از این فرایند طبیعی، میتوانیم فناوریهای جدیدی تصور کنیم که بهجای دستکاری دستی یا شیمیایی، از هیدرودینامیک و خودسازماندهی بهره میبرند.»
«این تنها مزیت نیست: «بهطور کلی، گرهها در پلیمرهای بسیار طولانی ظاهر میشوند و برای سفت و پایدار شدن به پلیمرهای حتی طولانیتر نیاز دارند»، گفت لوکا توبیانا، همنویسنده و دانشیار دانشگاه ترینتو. «مطالعهٔ ما رویکردی آزمایشپذیر برای بهدست آوردن گرههای پیچیده، سفت و طولانیعمر در پلیمرهای بسیار کوتاه فراهم میکند؛ که امکان بهتر ارتباط دادن پیشبینیهای نظری گره و نظریه پلیمر با مشاهدات تجربی را باز میکند.»
این پژوهش با حمایت بنیاد ملی علوم (National Science Foundation) از طریق بخش تحقیقات مواد، مرکز فیزیک نظری زیستی و ریاست فناوری، نوآوری و مشارکتها صورت گرفته است.