Jamming Crossovers in a Confined Driven Polymer in Solution

細い管の中に浮かぶ、長く柔軟な紐を想像してみてください。これはポリマーであり、細胞内のDNAから日常生活の中のプラスチックに至るまで、あらゆるものに見られる、数千もの小さなビーズが連なった巨大な分子です。このような分子が、本来のサイズよりもはるかに狭い空間に押し込められると、広い部屋にいる時のようには単に丸まることができず、チューブの長手方向に沿って自らを伸ばし、整列させなければなりません。科学者たちは、これらの分子がただ静止しているだけでなく、能動的に押されたり引かれたりする場合にどのように振る舞うかという点に、長年関心を寄せてきました。この動きを理解することは、細胞が遺伝物質をパッキングしたり展開したりしなければならない生物学の分野から、研究者がDNAを配列するために分子のサイズごとに分類しようとする技術の分野に至るまで、幅広い分野において極めて重要です。中心となる問いは、固体の物体が狭いチャネル内を異なる速度でポリマーを押し通すとき、ポリマーの形状と動きに何が起こるのか、という点です。

ウェスタンオンタリオ大学の研究チームは、正方形のチャネル内に単一のポリマー鎖を作成することで、この問いに答えるべく詳細なコンピュータ・シミュレーションを行いました。彼らは、パイプの中の紐を駆動するピストンの動きを模倣して、ポリマー鎖の一端に大きな固体の球体を置き、それを前方に押し進めました。チャネルの幅は25ナノメートルで、ポリマーは255個のビーズで構成されていました。シミュレーションをできるだけ現実的なものにするため、研究者は鎖の周囲の流体を含め、水がビーズや球体の周囲を流れるようにし、複雑な流れと抵抗を生じさせました。彼らは、ビーズ間の相互作用として、ビーズ同士が同じ極を持つ磁石のように単に反発し合うタイプと、一部の分子が弱くくっつくように、非常にわずかな引力を持つタイプの2種類をテストしました。押し進める球体の速度を幅広い範囲で変化させることで、彼らは鎖がどのように反応するかを観察し、特にビーズがどれほど密集するか、そしてどれほど動くかに注目しました。

非常に遅い速度では、ポリマーはあたかも自由に浮遊している時と同じように振る舞いました。ビーズはランダムで小刻みな動きを見せ、鎖は長さに沿って比較的均一な密度を維持していました。しかし、球体が動き始めると、劇的な変化が起こりました。速度がある特定の閾値を超えると、鎖の挙動は2つの明確なゾーンに分裂しました。押し進める球体に接している鎖の後端部分は、突然極端に混雑しました。ビーズは密集して詰まり、まるで固体のブロックのように凍りついたかのようにほとんど動きませんでした。対照的に、球体から遠く離れた前方の端の部分は、緩やかで広がった状態を保ち、ビーズは自由かつ急速に動いていました。これにより、単一の分子の中に、高密度のジャミング（渋滞）領域と低密度の流動的領域が共存するという、奇妙な二部構成の状態が生み出されました。

研究者たちは、この分裂が、ビーズが反発し合っているか、あるいはわずかに引き合っているかにかかわらず発生することを発見しました。ビーズが互いに押し合っていようと、引き合っていようと、この二状態への遷移はおよそ同じ速度で起こりました。この観察に基づき、科学者たちは、この変化はビーズの化学的な性質や、水が氷に変わるような物質の相転移によるものではないと結論付けました。代わりに、この変化は純粋に動的なものであり、押し進める速度によって引き起こされるものです。球体がゆっくり動いているときは、ビーズが脇に避けて広がるための十分な時間がありました。しかし、球体が十分に速く動くと、ビーズは十分に素早く避けることができなくなりました。彼らは球体に押し付けられ、隣のビーズによって閉じ込められて自由に動けなくなる交通渋滞のような状態を作り出したのです。

チームは、この渋滞の中で正確に何が起きているのかを理解するために、鎖の折り畳み方を詳しく調査しました。低速時には、鎖は現れてはすぐに消える小さな一時的な「キンク（折れ曲がり）」を形成していました。しかし、速度が閾値を超えて上昇すると、これらのキンクはより大きく永続的な「フォールド（折り畳み）」へと成長しました。鎖は自身の上に重なるように折り返され、同じ狭い空間の中にループや平行なストランド（紐状の構造）を作り出しました。これらのフォールドは、ビーズをさらに密にパッキングするためのメカニズムとして機能し、高密度領域の形成を可能にしました。興味深いことに、鎖が密集して折り畳まれ、固まった状態であるにもかかわらず、研究者たちは結び目（ノット）の証拠は見つけられませんでした。鎖はねじれたり回転したりしましたが、解けないような複雑な結び目にはなりませんでした。このことは、ジャミング効果が複雑な結び目の形成によるものではなく、鎖の物理的な過密状態と折り畳みによるものであることを示唆しています。

研究はまた、ビーズの周囲の流体の動きを考慮に入れなかった他のシミュレーションとの比較も行いました。流体を静的な背景として扱う、より単純なモデルでは結果が異なり、高速時には結び目が形成されることがありました。研究者たちは、流体の実際の流れを考慮に入れた場合、挙動が変化し、結び目は形成されないことを見出しました。これは、流体の動きが重要であることを強調しています。球体は水を前方に押し出し、鎖は水を後方へと押し戻します。これが複雑な流れを生み出し、鎖が圧縮されながらも、もつれずに済むように機能しているのです。この知見は、ポリマーのジャミングが、分子の特定の化学的詳細ではなく、速度と閉じ込められた環境に依存する堅牢な現象であることを示しています。

最終的に、この研究は、狭いチャネル内のポリマーは単に一様に圧縮されるのではないことを明らかにしています。その代わりに、高密度のジャム状態の「テイル（尾部）」と、流動的な「ヘッド（頭部）」に鋭く分離するという転移を起こします。これは、押し進める速度が、ビーズが拡散し再配置する能力を圧倒してしまうために起こります。高密度領域は、ビーズが隣接するビーズによって厳重に囲われ、ほとんど動かない状態を特徴とし、一方で低密度領域は流動的で活動的なままです。反発するビーズと引き合うビーズの両方のシミュレーションで観察されたこの挙動は、適用される力の速度によって鎖の動きが決定されるという、根本的な動的限界が存在することを示しています。この研究は、複雑な分子が圧力下でどのように振る舞うかについての明確なイメージを提供しており、微小なチャネル内でのDNAやその他の生物学的分子の選別および分析技術を向上させるための洞察を与えるものです。