Os físicos de polímeros da Universidade de Massachusetts Amherst estão relatando hoje o comportamento inesperado e anteriormente desconhecido de uma macromolécula carregada, como o DNA incorporado em um hidrogel carregado, onde exibe o que eles chamam de incapacidade "topologicamente frustrada" de se mover ou se difundir no gel, um fenômeno que eles descrevem na atual Nature Communications .

Professor físico de polímeros Murugappan "Muthu" Muthukumar, com o pesquisador de pós-doutorado Di Jia, usou técnicas de espalhamento de luz para estudar o comportamento de grandes moléculas de DNA em uma geomesh de 96 por cento de água, onde eles esperavam que se movesse muito lentamente, mas para eventualmente se difundir como todos os sistemas previamente conhecidos se comportariam.

Muthukumar explica, "Os cientistas sabem há mais de um século que todas as moléculas têm movimento browniano, ou seja, eles se movem e se difundem, incluindo DNA e outras moléculas muito grandes. A rapidez com que se difundem depende da molécula, e os grandes podem ser muito lentos. Isso é normal e é o que observamos há mais de 100 anos. "

Mas o que Jia descobriu e Muthukumar confirmou com cálculos teóricos é que ela poderia projetar um hidrogel de 96 por cento de água usando um gel com muitos compartimentos para capturar uma grande molécula de DNA que é incapaz de se difundir. Daí seu termo, "dinâmica topologicamente frustrada, "onde topológico se refere à ideia de que uma única molécula é mantida em muitas câmaras diferentes que constituem o gel. Jia observa, "A molécula de DNA não pode se mover, está preso. "

Muthukumar acrescenta, "A técnica de captura de polímeros e moléculas em uma suspensão líquida é importante para a terapia genética, por exemplo, e na terapia de tecidos, em que queremos entregar macromoléculas e medicamentos grandes a um local específico e mantê-los lá. "

Para entender o design de Jia, ajuda imaginar uma molécula presa em uma malha cúbica de 30 compartimentos aproximadamente iguais, Muthukumar diz. Para difundir, um dos compartimentos deve iniciar o movimento, "mas para fazer isso, ele tem que arrastar todos os outros 29 compartimentos junto com ele. Ele vai tentar se mover, mas ficará frustrado, batendo suas asas, por assim dizer, e a coisa toda ficará presa. Localmente, tem alguma dinâmica, mas a mobilidade em geral é frustrada. "

Ele acrescenta que a descoberta foi uma surpresa, "mas quando você pensa sobre isso, faz sentido que o corpo e seus tecidos desejem um sistema que possa reter macromoléculas como o DNA, para mantê-los no lugar. Agora que fizemos uma compreensão teórica desta descoberta, pensamos que é um fenômeno universal no corpo, onde o DNA precisa ser preso no lugar. "

Avançar, "Este modelo físico pode explicar um fenômeno biológico observado, "diz ele." Acho que os biólogos vão descobrir que nossa observação está acontecendo em ambientes lotados, como a célula, e os pesquisadores que trabalham na entrega de drogas descobrirão como usá-lo. "

Andrew Lovinger, o oficial do programa da National Science Foundation (NSF) que apoiou a pesquisa, diz, "Este novo estado dinâmico é realmente uma descoberta surpreendente. Ele revisa a compreensão há muito estabelecida dos cientistas sobre a difusão de polímeros, e ajudará a conduzir pesquisas fundamentais em ciência de polímeros para sistemas biológicos e sintéticos. "

Para estudar esses sistemas, Jia realiza experimentos em que manipula variáveis ​​como a estrutura do gel, concentração de polímero e pesos moleculares das moléculas da sonda. Ela então captura várias moléculas diferentes dentro de diferentes géis e usa dispersão de luz para observar seu comportamento. A análise dinâmica de espalhamento de luz funciona rastreando a dispersão de luz que surge depois que um feixe de luz é enviado para um líquido com polímero suspenso nele. Um pesquisador treinado pode determinar a estrutura molecular do polímero, quão rápido e outras características de seu movimento. Jia é um especialista realizado na técnica, Notas de Muthukumar.

Para este trabalho, Jia diz que fez experiências com moléculas sintéticas e naturais e ambas exibiram o mesmo fenômeno. Também, ela conseguiu mostrar que, se cada câmara da estrutura do gel não for grande o suficiente e a macromolécula for dividida em pedaços muito pequenos, então será capaz de se difundir.

Muthukumar diz que pensa há 20 anos sobre como aproveitar as conformações de um polímero, tornando-os úteis para uma variedade de aplicações. "Para explorar isso, você tem que criar barreiras, "ele aponta." Eu me perguntei, e se várias barreiras tiverem que ser superadas simultaneamente, o que vai acontecer? O que eu acho que vemos são negociações simultâneas acontecendo. A matriz tem seu próprio movimento leve na dinâmica do gel, e a molécula tem sua própria dinâmica. No fim, descobrimos que o resultado é muito simples para um sistema tão grande e complicado. "