Когда большие силы, например в мостостроении, акт на тяжелое бревно, балка будет слегка деформироваться. Вычисляют отношение между силами, внутренних напряжений и деформаций является одной из типовых задач в гражданском строительстве. Но что произойдет, если применить эти соображения на мелкие объекты, например, на один двойной спирали ДНК?
Опыты с молекулами ДНК показывают, что их механические свойства полностью отличаются от тех макроскопических объектов, и это имеет важные последствия для биологии и медицины. Ученые в TU Wien (Вена) удалось объяснить эти свойства, комбинируя идеи из гражданского машиностроения и физики.
Неожиданное поведение на молекулярном уровне
На первый взгляд, можно подумать о двойной спирали ДНК как маленький источник, который вы можете просто растягивать и сжимать так же, как и обычный весенний. Но это не совсем так просто: «если вам протягивают кусок ДНК, вы бы на самом деле ожидать, что количество перейдет в снижение. Но в некоторых случаях верно и обратное: «когда спираль попадает больше, он иногда крутит даже больше», — говорит инженер Йоханнес Kalliauer из Института механики материалов и конструкций в техническом университете Вены. «Кроме того, молекулы ДНК гораздо более пластичный, чем те материалы, которые мы обычно обсуждаем в гражданском строительстве: они могут стать 70% дольше при растяжении.»
Эти странные механические свойства ДНК имеют большое значение для биологии и медицины: «когда генетическая информация считывается с ДНК молекулы в живой клетке, детали геометрия может определить, является ли значение ошибка возникает, который в худшем случае может даже вызвать рак», — говорит Йоханнес Kalliauer. «До сих пор, молекулярной биологии и приходилось довольствоваться эмпирическими методами для объяснения связи между силами и геометрии ДНК.»
В своей диссертации, Йоханнес Kalliauer докопался до этого вопроса … и он сделал это в виде довольно необычное сочетание предметов: его работу курируют, с одной стороны, гражданский инженер профессор Кристиан Хальмих, а с другой стороны, проф. Герхард Каль из Института теоретической физики.
«Мы использовали методы молекулярной динамики, чтобы воспроизводить молекулы ДНК на атомном масштабе на компьютере», — объясняет Kalliauer. «Определить, как в спирали ДНК сжимается, растягивается или вывих … и тогда вам рассчитают сил, которые возникают и конечное положение атомов». Такие расчеты очень сложны и возможны только с помощью крупных суперкомпьютеров — Йоханнес Kalliauer использовала Венский научного кластера (ВСК) для этой цели.
Что, кстати, странно экспериментальных данных может быть связана, например, с нелогичным результатом, что в некоторых случаях ДНК закручивается еще больше, когда растягивается. «Трудно представить, чтобы в больших масштабах, но на атомном уровне все это имеет смысл», — говорит Йоханнес Kalliauer.
Странно промежуточном мире
В рамках атомной модели теоретической физики, межатомные силы и расстояния можно определить. Используя определенные правила, разработанные командой на основе принципов гражданского машиностроения, соответствующие величины силы, необходимые для описания цепи ДНК в целом можно определить, так же, как в статике балки в гражданском строительстве могут быть описаны через некоторые важные свойства поперечного сечения.
«Мы работаем в интересном промежуточном мире, между микроскопическим и макроскопическим», — говорит Йоханнес Kalliauer. «Особенность этого проекта заключается в том, что вам действительно нужно обе точки зрения, и вы должны объединить их.»
Такое сочетание существенно различных размеров играет центральную роль в Институте механики материалов и конструкций вновь и вновь. Ведь свойства материала, что мы чувствуем каждый день в больших масштабах всегда определяются поведения на микроуровне. Текущая работа, которая уже опубликована в «журнал механики и физики твердых тел,» призвана показать, с одной стороны, как сочетать большие и малые научно точным образом, а с другой стороны, чтобы помочь лучше понять поведение ДНК, вплоть до объяснения причин наследственных заболеваний.
почувствуйте разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!