Los físicos de polímeros de la Universidad de Massachusetts Amherst informan hoy sobre el comportamiento inesperado y previamente desconocido de una macromolécula cargada como el ADN incrustado en un hidrogel cargado. donde muestra lo que ellos llaman una incapacidad "topológicamente frustrada" para moverse o difundirse en el gel, un fenómeno que describen en la corriente Comunicaciones de la naturaleza .

Profesor de física de polímeros Murugappan "Muthu" Muthukumar, con el investigador postdoctoral Di Jia, usó técnicas de dispersión de luz para estudiar el comportamiento de grandes moléculas de ADN en una geomalla de 96 por ciento de agua, donde esperaban que se moviera muy lentamente, pero eventualmente difundirse como se comportarían todos los sistemas previamente conocidos.

Muthukumar explica:"Los científicos saben desde hace más de un siglo que todas las moléculas tienen movimiento browniano, es decir, se mueven y se difunden, incluido el ADN y otras moléculas muy grandes. Qué tan rápido se difunden depende de la molécula, y los grandes pueden ser muy lentos. Esto es normal y es lo que hemos observado durante más de 100 años ".

Pero lo que Jia descubrió y Muthukumar confirmó con cálculos teóricos es que podría diseñar un hidrogel de 96 por ciento de agua usando un gel de muchos compartimentos para capturar una gran molécula de ADN que no puede difundirse en absoluto. De ahí su término, "dinámica topológicamente frustrada, "donde topológico se refiere a la idea de que una sola molécula se mantiene en muchas cámaras diferentes que constituyen el gel. Jia señala:"La molécula de ADN no puede moverse en absoluto, está atascado."

Muthukumar agrega, "La técnica de capturar polímeros y moléculas en una suspensión líquida es importante para la terapia génica, por ejemplo, y en la terapia de tejidos, donde queremos administrar macromoléculas y medicamentos grandes a un lugar específico y mantenerlos allí ".

Para entender el diseño de Jia, ayuda imaginar una molécula atrapada en una malla cúbica de 30 compartimentos aproximadamente iguales, Dice Muthukumar. Para difundir, uno de los compartimentos debe iniciar el movimiento, "pero para hacer eso, tiene que arrastrar todos los otros 29 compartimentos junto con él. Intentará moverse pero se frustrará, batiendo sus alas por así decirlo, y todo se atascará. Localmente tiene algunas dinámicas, pero la movilidad en general se ve frustrada ".

Agrega que el descubrimiento fue una sorpresa, "pero cuando lo piensas, tiene sentido que el cuerpo y sus tejidos quieran un sistema que pueda retener macromoléculas como el ADN, para mantenerlos en su lugar. Ahora que hemos hecho una comprensión teórica de este descubrimiento, creemos que es un fenómeno universal en el cuerpo, donde el ADN debe quedar atrapado en su lugar ".

Más lejos, "Este modelo físico puede explicar un fenómeno biológico observado, ", dice." Creo que los biólogos descubrirán que nuestra observación está ocurriendo en entornos abarrotados como la célula, y los investigadores que trabajan en la administración de fármacos descubrirán cómo utilizarlo ".

Andrew Lovinger, el funcionario del programa de la National Science Foundation (NSF) que apoyó la investigación, dice, "Este nuevo estado dinámico es verdaderamente un descubrimiento sorprendente. Revisa la comprensión de larga data de los científicos sobre la difusión de polímeros, y ayudará a impulsar la investigación fundamental en la ciencia de los polímeros para sistemas biológicos y sintéticos ".

Para estudiar tales sistemas, Jia establece experimentos en los que manipula variables como la estructura del gel, concentración de polímero y pesos moleculares de las moléculas de la sonda. Luego captura varias moléculas diferentes dentro de diferentes geles y utiliza la dispersión de luz para observar su comportamiento. El análisis dinámico de dispersión de luz funciona mediante el seguimiento de la dispersión de luz que emerge después de que un haz de luz se envía a un líquido con polímero suspendido en él. Un investigador capacitado puede determinar la estructura molecular del polímero, qué tan rápido y otras características de su movimiento. Jia es una experta consumada en la técnica, Notas de Muthukumar.

Por este trabajo, Jia dice que experimentó con moléculas naturales y sintéticas y ambas exhibieron el mismo fenómeno. También, Ella pudo demostrar que si cada cámara de la estructura del gel no es lo suficientemente grande y la macromolécula se divide en pedazos muy pequeños, entonces podrá difundirse.

Muthukumar dice que ha estado pensando durante 20 años en cómo aprovechar las conformaciones de un polímero, haciéndolos útiles para una variedad de aplicaciones. "Para explorar esto, debes crear barreras, ", señala", me pregunté, ¿Qué pasa si hay que superar múltiples barreras simultáneamente? ¿lo que sucederá? Lo que creo que vemos son negociaciones simultáneas en curso. La matriz tiene su propio movimiento leve en la dinámica del gel, y la molécula tiene su propia dinámica. En el final, encontramos que el resultado es tan simple para un sistema tan grande y complicado ".