¿Cuál es la diferencia entre cadenas lineales y anillos compuestos del mismo material? Los bloques de construcción moleculares son idénticos, pero desde un punto de vista matemático, las dos estructuras tienen topologías distintas, anillo y cadena lineal. Esta diferencia es fácilmente reconocible a escala macroscópica, como, por ejemplo, un anillo de oro y una barra de oro, pero representa una tarea delicada a escala microscópica. Los físicos Lisa Weiss y Christos Likos de la Universidad de Viena y Arash Nikoubashman de la Universidad Johannes-Gutenberg de Mainz investigaron estrategias para separar nanopartículas y micropartículas de topología distinta. Sus resultados se publican en la revista de alto impacto Cartas macro ACS .
La propiedad puramente matemática, lineal o circular, puede tener graves consecuencias en el mundo de los materiales. Dado que las moléculas circulares carecen de extremos que puedan servir como punto de partida para la degradación, son más resistentes y menos enredados. La naturaleza se beneficia de esta propiedad única de las moléculas circulares para aumentar la resistencia del ADN y el ARN frente a la degradación. La topología juega un papel cuando las moléculas se desequilibran:las moléculas lineales y anulares fluyen de manera diferente, al igual que sus mezclas.
Esta diferencia en el flujo se puede explicar usando espaguetis como una analogía para las moléculas lineales y agitando una olla como analogía para el flujo:los fideos individuales se alargan en la dirección del flujo, aunque todavía están enredados. Al revolver la pasta en forma de anillo, se orienta más fácilmente en la dirección del flujo en comparación con las hebras de espagueti lineales, y los anillos están menos enredados, facilitando la agitación.
Sin embargo, separar una mezcla de pasta lineal y en forma de anillo en una olla en dos sistemas separados de alta pureza es una tarea desafiante, ya que los bloques de construcción moleculares son exactamente los mismos. Es necesario clasificar a mano. Tal proceso es imposible a escala microscópica; por eso, se dificulta el desarrollo de nuevos materiales basados en diferentes topologías, como es el análisis de topología en sistemas biológicos. Por lo tanto, necesitamos tecnologías de separación nuevas y eficientes.
Investigadores de la Universidad de Viena y la Universidad Johannes-Gutenberg de Mainz desarrollaron una estrategia automatizada para separar moléculas circulares de manera confiable de sus contrapartes lineales. Usando simulaciones por computadora, demostraron la eficacia de los canales microfluídicos decorados con atractivos puntos. Esos puntos atraen los bloques de construcción moleculares de moléculas lineales y anulares con igual fuerza. Lisa Weiss del Grupo de Física Computacional de la Universidad de Viena explica que las cadenas lineales están inmovilizadas en estos puntos, mientras que las moléculas anulares pueden rodar a lo largo de ellos. Este movimiento de balanceo solo es posible para topologías con curvas de nivel cerradas. Para depurar el filtro de las cadenas atascadas, el canal se lava con un no disolvente para las cadenas, es decir., un disolvente en el que las moléculas no se pueden disolver, como, por ejemplo, aceite en agua. Por lo tanto, las cadenas se desmoronan y se desprenden, y posteriormente, el flujo se lleva las cadenas y el filtro está limpio.
