Vědci odhalili, jak se polymery plazí jako červi: Klíč k pohybu DNA a novým materiálům

Vědci z Vídeňské univerzity odhalili překvapivý jev: polymerní řetězce se segmenty, které jednoduše fluktuují s různou intenzitou, mohou spontánně vyvinout směrový, perzistentní pohyb, když jsou hustě zabaleny – i když nic v systému jim neukazuje žádný konkrétní směr. Tento „entropický přetah“, poháněný základními fyzikálními omezeními, by mohl pomoci vysvětlit, jak se DNA organizuje a pohybuje uvnitř živých buněk, a může vést k novým materiálům. Studie byla publikována v časopise *Physical Review X*.

„Představte si řetěz provlečený hustým lesem stromů, které představují překážky tvořené ostatními řetězci v systému. Jeden konec řetězu je třesen mnohem silněji než druhý,“ vysvětluje hlavní autor Jan Smrek z Fakulty fyziky Vídeňské univerzity. „Mohli byste očekávat, že se bude jen náhodně vlnit na místě. Ale zjistili jsme, že protože si řetěz musí najít cestu procházením mezi stromy, rozdíl v intenzitě třesení vytváří nerovnováhu, která ve skutečnosti pohání celý řetěz vpřed lesem.“

Tato analogie může být přenesena na polymer, velkou molekulu skládající se z mnoha jednotek spojených dohromady v dlouhém řetězci, jako je DNA. Vídeňský výzkumný tým – Adam Höfler, Iurii Chubak, Christos Likos a Jan Smrek – použil počítačové simulace a analytickou teorii k prokázání, že tento směrový pohyb vzniká čistě z topologických omezení. Když jsou polymerní řetězce zapletené a nemohou se navzájem procházet, segmenty se silnějšími fluktuacemi generují větší entropické síly. To vytváří nerovnováhu, která tlačí celý řetěz vpřed podél jeho vlastního obrysu, přičemž silněji fluktuující část funguje jako „hlava hada“ pohybující se lesem překážek.

Na rozdíl od předchozích modelů aktivních polymerů, které staví na směrových silách, tento mechanismus vyžaduje pouze rozdíl v magnitudě fluktuací mezi segmenty. Zjištění má přímou relevanci pro chromatin – komplex DNA a proteinů v buněčných jádrech. Různé buněčné procesy, jako je transkripce a oprava DNA, vytvářejí lokalizované oblasti zvýšené aktivity podél chromatinového vlákna. Práce vědců naznačuje, že tyto rozdíly v aktivitě by samy o sobě mohly pohánět koherentní pohyby chromatinu pozorované v živých buňkách.

Studie také odhaluje, jak dynamika závisí na stupni zapletení řetězců. Při vyšších hustotách se směrový pohyb stává rychlejším a výraznějším. Vědci zjistili, že jednotlivé segmenty mohou vykazovat superdifuzní pohyb – pohybují se rychleji, než by předpovídala náhodná difúze – v přechodných časových měřítkách.

„Tato práce propojuje materiálovou vědu a biologii,“ říká Smrek. „Ukazujeme, že stejná fyzika, která řídí syntetické polymery, může vysvětlit chování v živých systémech. A naznačuje to, že bychom mohli navrhovat nové materiály, které spontánně vyvinou směrové transportní vlastnosti,“ dodává Smrek.

Zjištění otevírají nové cesty pro vytváření funkčních aktivních materiálů a poskytují rámec pro interpretaci experimentů s dynamikou chromatinu. Mohly by dále zkoumat, jak se tyto efekty kombinují s jinými aktivními procesy v biologických systémech a prozkoumat aplikace v chytrých materiálech, které by mohly transportovat náklad nebo se samy opravovat.