Jamming Crossovers in a Confined Driven Polymer in Solution

좁은 관 속에 물이 가득 차 있고 그 안에 떠 있는 길고 유연한 줄을 상상해 보십시오. 이것은 세포 내부의 DNA부터 우리 일상의 플라스틱에 이르기까지 발견되는, 수천 개의 작은 구슬이 연결된 거대한 분자인 폴리머(고분자)입니다. 이러한 분자가 자신의 자연스러운 크기보다 훨씬 좁은 공간으로 압착되면, 넓고 탁 트인 방에서처럼 단순히 말려 올라갈 수 없습니다. 대신, 관의 길이를 따라 스스로를 정렬하며 길게 늘어져야 합니다. 과학자들은 이러한 분자들이 단순히 가만히 있을 때가 아니라, 능동적으로 밀리거나 당겨질 때 어떻게 행동하는지에 대해 오랫동안 관심을 가져왔습니다. 이러한 움직임을 이해하는 것은 세포가 유전 물질을 채우고 풀어내야 하는 생물학에서부터, 연구자들이 DNA 서열을 분석하기 위해 크기별로 분자를 분류하려고 노력하는 기술 분야에 이르기까지 다양한 분야에서 매우 중요합니다. 핵심 질문은 이것입니다: 고체 물체가 서로 다른 속도로 좁은 통로 속의 폴리머를 밀어낼 때, 폴리머의 모양과 움직임에는 어떤 일이 일어나는가?

웨스턴 온타리오 대학교의 연구팀은 사각형 채널 안에 단일 폴리머 사슬을 배치한 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 제작하여 이 질문에 답하고자 했습니다. 연구진은 폴리머 사슬의 한쪽 끝에 커다란 고체 구체를 배치하고, 파이프 속의 줄을 밀어내는 피스톤처럼 앞으로 밀어냈습니다. 채널의 너비는 25나노미터였고, 폴리머는 255개의 구슬로 구성되었습니다. 시뮬레이션을 최대한 현실적으로 만들기 위해, 연구진은 사슬을 둘러싼 유체를 포함시켜 물이 구슬과 구체 주변을 흐르며 복잡한 전류와 저항을 만들어내도록 했습니다. 그들은 구슬 사이의 두 가지 서로 다른 유형의 상호작작용을 테스트했습니다. 하나는 구슬들이 같은 극을 가진 자석처럼 서로를 밀어내는 방식이었고, 다른 하나는 일부 분자들이 약하게 서로 달라붙는 것처럼 매우 미세하게 서로를 끌어당기는 방식이었습니다. 밀어내는 구체의 속도를 넓은 범위에 걸쳐 변화시키면서, 연구진은 사슬이 어떻게 반응하는지 관찰하였으며, 특히 구슬의 밀도가 어떻게 변하고 얼마나 많이 움직이는지를 중점적으로 살펴보았습니다.

매우 느린 속도에서 폴리머는 마치 자유롭게 떠다닐 때와 유사하게 행동했습니다. 구슬들은 무작위적이고 떨리는 방식으로 움직였으며, 사슬은 전체 길이에 걸쳐 비교적 균일한 밀도를 유지했습니다. 그러나 구체가 더 빠르게 움직이기 시작하자 극적인 변화가 일어났습니다. 속도가 특정 임계값을 넘어서자, 사슬의 행동은 두 개의 뚜렷한 구역으로 나뉘었습니다. 밀어내는 구체 바로 뒤에 있는 사슬의 뒷부분은 갑자기 매우 혼잡해졌습니다. 구슬들이 빽빽하게 밀집되어 거의 움직이지 않았는데, 마치 고체 블록처럼 얼어붙은 듯했습니다. 반면, 구체로부터 멀리 떨어진 사슬의 앞부분은 느슨하고 퍼져 있었으며, 구슬들이 자유롭고 빠르게 움직였습니다. 이는 하나의 단일 분자 내에서 조밀한 영역과 느슨한 영역이 공존하는 기묘한 이중 상태를 만들어냈습니다.

연구진은 이러한 분리가 구슬들이 서로를 밀어내든 약간 끌어당기든 상관없이 발생한다는 것을 발견했습니다. 구슬들이 서로를 밀어내든 서로를 끌어당기든, 이 두 상태 조건으로의 전이는 대략 동일한 속도에서 일었습니다. 이 관찰을 통해 과학자들은 이 변화가 구슬의 화학적 성질이나 물이 얼음으로 변하는 것과 같은 물질의 상 변화에 의해 발생하는 것이 아니라고 결론지었습니다. 대신, 이 변화는 순수하게 역동적이었으며, 밀어내는 속도에 의해 결정되었습니다. 구체가 천천히 움직일 때는 구슬들이 비켜서서 퍼질 수 있는 충분한 시간이 있었습니다. 하지만 구체가 충분히 빠르게 움직이면 구슬들이 충분히 빨리 비켜날 수 없었습니다. 구슬들이 구체에 맞서 쌓이면서, 구슬들이 서로에게 갇혀 자유롭게 움직이지 못하는 교통 체증 현상이 발생했습니다.

이 정체 현상 내부에서 정확히 어떤 일이 일어나고 있는지 이해하기 위해, 연구팀은 사슬이 접히는 방식을 면밀히 조사했습니다. 낮은 속도에서 사슬은 나타났다가 빠르게 사라지는 작고 일시적인 굴곡(kinks)을 형성했습니다. 그러나 속도가 임계값을 지나 증가함에 따라, 이러한 굴곡은 더 크고 영구적인 접힘(folds)으로 성장했습니다. 사슬은 스스로 되돌아 접히기 시작했고, 동일한 좁은 공간 안에 루프와 평행한 가닥들을 만들었습니다. 이러한 접힘은 구슬들을 더욱 빽빽하게 채울 수 있는 메커니즘 역할을 하여 조밀한 영역이 형성되도록 했습니다. 흥-미롭게도, 사슬이 찌그러지고 접혀 단단한 공 모양이 되었음에도 불구하고, 연구진은 매듭의 증거를 발견하지 못했습니다. 사슬은 뒤틀리고 회전했지만, 풀 수 없는 매듭으로 엉키지는 않았습니다. 이는 정체 현상이 복잡한 매듭의 형성이 아니라, 사슬의 물리적인 혼잡과 접힘에 의해 발생함을 시사합니다.

연구팀은 또한 구슬 주변의 유체 움직임을 고려하지 않은 다른 시뮬레이션들과 결과를 비교했습니다. 유체를 정적인 배경으로 취급하는 더 단순한 모델에서는 결과가 달랐으며, 높은 속도에서 때때로 매듭이 형성되는 모습을 보였습니다. 연구진은 실제 유체의 흐름을 포함했을 때 행동이 변하며 매듭이 형성되지 않는다는 것을 발견했습니다. 이는 유체의 움직임이 중요하다는 점을 강조합니다: 구체는 자신의 앞쪽으로 물을 밀어내고, 사슬은 물을 뒤로 밀어내어, 사슬이 압착되는 동안에도 엉키지 않도록 돕는 복잡한 흐름을 만들어냅니다. 이러한 발견은 폴리머가 좁은 채널 내에서 겪는 정체 현상이 분자의 구체적인 화학적 세부 사항보다는 속도와 구속에 의존하는 견고한 현상임을 보여줍니다.

궁극적으로, 이 연구는 좁은 채널 안의 폴리머가 단순히 균일하게 압축되는 것이 아님을 밝혀냈습니다. 대신, 폴리머는 조밀하게 정체된 꼬리와 느슨하게 흐르는 머리로 분리되는 급격한 전이를 겪습니다. 이는 밀어내는 속도가 구슬들이 확산하고 재배열되는 능력을 압도하기 때문에 발생합니다. 조밀한 영역은 구슬들이 이웃들에 의해 빽빽하게 갇혀 거의 움직이지 못하는 특징을 가지는 반면, 느슨한 영역은 유동적이고 활발한 상태를 유지합니다. 밀어내는 구슬과 끌어당기는 구슬 모두에서 관찰된 이 행동은, 폴리머의 움직임이 가해지는 힘의 속도에 의해 결정되는 근본적인 역동적 한계가 존재함을 시사합니다. 이 연구는 복잡한 분자들이 압력 하에서 어떻게 행동하는지에 대한 더 명확한 그림을 제공하며, 미세한 채널에서 DNA 및 기타 생물학적 분자를 분류하고 분석하는 기술을 개선하는 데 도움을 줄 수 있는 통찰력을 제공합니다.