Jamming Crossovers in a Confined Driven Polymer in Solution

تخيل خيطاً طويلاً ومرناً يطفو داخل أنبوب ضيق مليء بالماء. هذا هو "البوليمر"، وهو جزيء عملاق مكون من آلاف الخرزات الصغيرة المرتبطة معاً، ويوجد في كل شيء بدءاً من الحمض النووي (DNA) داخل خلايانا وصولاً إلى المواد البلاستيكية في حياتنا اليومية. عندما يُضغط مثل هذا الجزيء في مساحة أضيق بكثير من حجمه الطبيعي، فإنه لا يمكنه ببساطة أن يتكور كما يفعل في غرفة واسعة؛ بل يجب عليه أن يتمدد، موازياً نفسه على طول الأنبوب. لطالما اهتم العلماء بكيفية سلوك هذه الجزيئات عندما لا تكون ساكنة فحسب، بل يتم دفعها أو سحبها بنشاط. إن فهم هذه الحركة أمر بالغ الأهمية لمجالات تتراوح من علم الأحياء، حيث يجب على الخلايا تعبئة وتفريغ المادة الوراثية، إلى التكنولوجيا، حيث يحاول الباحثون فرز الجزيئات حسب حجمها لتسلسل الحمض النووي. السؤال المركزي هو: ماذا يحدث لشكل وحركة البوليمر عندما يدفع جسم صلب هذا البوليمر عبر قناة ضيقة بسرعات مختلفة؟

وضع فريق من الباحثين في جامعة ويسترن أونتاريو نصب أعينهم الإجابة على ذلك من خلال إنشاء محاكاة حاسوبية مفصلة لسلسلة بوليمر واحدة داخل قناة مربعة. وضعوا كرة صلبة كبيرة عند أحد طرفي السلسلة وقاموا بدفعها للأمام، محاكيين بذلك مكبساً يدفع خيطاً عبر أنبوب. كان عرض القناة 25 نانومتر، وتكون البوليمر من 255 خرزة. ولجعل المحاكاة أكثر واقعية، أدرج الباحثون السائل المحيط بالسلسلة، مما سمح للماء بالتدفق حول الخرز والكرة، مما خلق تيارات ومقاومة معقدة. واختبروا نوعين مختلفين من التفاعلات بين الخرز: أحدهما حيث تتنافر الخرز ببساطة مثل المغناطيسات ذات الأقطاب المتشابهة، والآخر حيث يوجد بينها تجاذب طفيف، يشبه الطريقة التي تلتصق بها بعض الجزيئات ببعضها البعض بشكل ضعيف. ومن خلال تغيير سرعة الكرة الدافعة عبر نطاق واسع، راقبوا رد فعل السلسلة، باحثين تحديداً في مدى كثافة الخرز ومدى تحركها.

عند السرعات البطيئة جداً، تصرف البوليمر تماماً كما لو كان يطفو بحرية. كانت الخرز تتحرك بشكل عشوائي ومهتز، وحافظت السلسلة على كثافة منتظمة نسبياً على طول طولها. ومع ذلك، مع بدء حركة الكرة بشكل أسرع، حدث تغيير دراماتيكي. بمجرد أن تجاوزت السرعة عتبة معينة، انقسم سلوك السلسلة إلى منطقتين متميزتين. أصبح الجزء الخلفي من السلسلة، الموجود مباشرة مقابل الكرة الدافعة، مزدحماً للغاية بشكل مفاجئ. تكدست الخرز معاً بإحكام، وتحركت قلياً، وكأنها تجمدت في كتلة صلبة. وفي المقابل، ظل الجزء الأمامي من السلسلة، البعيد عن الكرة، مرتخياً ومنتشراً، حيث كانت الخرز تتحرك بحرية وسرعة. خلق هذا حالة غريبة من جزأين، حيث تعايشت منطقة كثيفة ومزدحمة مع منطقة رخوة ومائعة على طول نفس الجزيء الواحد.

وجد الباحثون أن هذا الانقسام حدث بغض النظر عما إذا كانت الخرز تتنافر أو تتجاذب قليلاً. وسواء كانت الخرز تدفع بعضها البعض بعيداً أو تجذب بعضها البعض، فإن الانتقال إلى حالة الحالة المزدوجة حدث عند نفس السرعة تقريباً. أدى هذا الملاحظة بالعلماء إلى استنتاج أن التغيير لم يكن ناتجاً عن الطبيعة الكيميائية للخرز أو تحول في مادة الجزيء، مثل تحول الماء إلى جليد. بدلاً من ذلك، كان التغيير ديناميكياً بحتاً، مدفوعاً بسرعة الدفع. عندما تحركت الكرة ببطء، كان لدى الخرز الوقت الكافي للتحرك بعيداً والانتشار. ولكن عندما تحركت الكرة بسرعة كافية، لم تستطع الخرز التحرك بعيداً بسرعة كافية، فتجمعت ضد الكرة، مما خلق ازدحاماً مرورياً حيث حوصرت الخرز بسبب جيرانها، غير قادرة على الحركة بحرية.

لفهم ما كان يحدث بالضبط داخل هذا الازدحام، نظر الفريق عن كثب في كيفية طي السلسلة. في السرعات المنخفضة، شكلت السلسلة ثنيات صغيرة مؤقتة تظهر وتختفي بسرعة. ولكن مع زيادة السرعة متجاوزة العتبة، نمت هذه الثنيات لتصبح طيات أكبر وأكثر ديمومة. بدأت السلسلة تنطوي على نفسها، مما خلق حلقات وخيوطاً متوازية محصورة في نفس المساحة الصغيرة. عملت هذه الطيات كآلية لضغط الخرز بشكل أكثر إحكاماً، مما سمح بتكوين المنطقة الكثيفة. ومن المثير للاهتمام أنه رغم كون السلسلة مجعدة ومطوية في كرة ضيقة، فقد وجد الباحثون عدم وجود دليل على وجود عقد. التوت السلسة وانحنت، لكنها لم تتشابك أبداً في عقدة لا يمكن فكها. يشير هذا إلى أن تأثير الازدحام ناتج عن التكدس الفيزيائي وطي السلسلة، وليس عن تكوين عقد معقدة.

كما قارقت الدراسة نتائجهم مع عمليات محاكاة أخرى لم تأخذ في الاعتبار حركة السائل حول الخرز. في تلك النماذج الأبسط، حيث تم التعامل مع السائل كخلفية ثابتة، كانت النتائج مختلفة، حيث أظهرت أحياناً تكون عقد عند السرعات العالية. وجد الباحثون أنه عند تضمين التدفق الحقيقي للسائل، تغير السلوك، ولم تتكون عقد. يسلط هذا الضوء على أهمية حركة السائل: فالكرة تدفع الماء أمامها، والسلسلة تدفع الماء للخلف، مما يخلق تدفقاً معقداً يساعد في إبقاء السلسلة غير متشابكة أثناء انضغاطها. تشير النتائج إلى أن ازدحام البوليمرات في القنوات الضيقة هو ظاهرة قوية تعتمد على السرعة والحصر بدلاً من التفاصيل الكيميائية المحددة للجزيء.

في النهاية، يكشف البحث أن البوليمر في قناة ضيقة لا ينضغط بشكل موحد ببساطة. بدلاً من ذلك، يمر بتحول حاد حيث ينفصل إلى ذيل كثيف ومزدحم ورأس رخو ومتدفق. يحدث هذا لأن سرعة الدفع تفوق قدرة الخرز على الانتشار وإعادة الترتيب. تتميز المنطقة الكثيفة بخرز محاصر بإحكام بواسطة جيرانه، يتحرك قليلاً، بينما تظل المنطقة الرخوة مائعة ونشطة. هذا السلوك، الذي لوحظ في عمليات محاكاة بخرز متنافر وجاذب، يشير إلى حد ديناميكي أساسي حيث يتم التحكم في حركة السلسلة من خلال سرعة القوة المطبقة عليها. يوفر هذا العمل صورة أوضح لكيفية سلوك الجزيئات المعقدة تحت الضغط، مما يقدم رؤى قد تساعد في تحسين التقنيات المستخدمة لفرز وتحليل الحمض النووي والجزيئات البيولوجية الأخرى في القنوات الدقيقة.