Jamming Crossovers in a Confined Driven Polymer in Solution

Stel je een lange, flexibele draad voor die in een nauwe buis met water drijft. Dit is een polymeer, een gigantisch molecuul gemaakt van duizenden kleine kraaltjes die aan elkaar verbonden zijn, te vinden in alles van het DNA in onze cellen tot de plastics in ons dagelijks leven. Wanneer zo'n molecuul in een ruimte wordt geperst die veel smaller is dan zijn natuurlijke omvang, kan het zich niet simpelweg opkrullen zoals het dat in een grote, open kamer zou doen; het moet zich uitstrekken en zich langs de lengte van de buis uitlijnen. Wetenschappers zijn al lang geïnteresseerd in hoe deze moleculen zich gedragen wanneer ze niet alleen maar stilzitten, maar ook actief worden weggeduwd of getrokken. Het begrijpen van deze beweging is cruciaal voor velden variërend van biologie, waar cellen genetisch materiaal moeten verpakken en uitpakken, tot technologie, waar onderzoekers proberen moleculen op grootte te sorteren om DNA te sequensen. De centrale vraag is: wat gebeurt er met de vorm en de beweging van een polymeer wanneer een vast object het met verschillende snelheden door een nauw kanaal duwt?

Een team onderzoekers aan de University of Western Ontario zette zich in om dit te beantwoorden door een gedetailleerde computersimulatie te maken van een enkel polymeer aan een vierkant kanaal. Ze plaatsten een grote, massieve bol aan één uiteinde van de keten en duwden deze naar voren, waarbij ze een zuiger nabootsten die een draad door een pijp drijft. Het kanaal was 25 nanometer breed en het polymeer bestond uit 255 kraaltjes. Om de simulatie zo realistisch mogelijk te maken, voegden de onderzoekers de vloeistof toe die de keten omringt, waardoor het water rond de kraaltjes en de bol kon stromen, wat complexe stromingen en weerstand creëerde. Ze testten twee verschillende soorten interacties tussen de kraaltjes: één waarbij de kraaltjes elkaar afstoten zoals magneten met dezelfde pool naar buiten gericht, en een andere waarbij ze een zeer lichte aantrekking hadden, vergelijkbaar met hoe sommige moleculen zwak aan elkaar plakken. Door de snelheid van de duwende bol over een breed bereik te variëren, observeerden ze hoe de keten reageerde, waarbij ze specifiek keken naar hoe dicht de kraaltjes werden en hoeveel ze bewogen.

Bij zeer lage snelheden gedroeg het polymeer zich bijna precies zoals het zou doen als het gewoon vrij zou drijven. De kraaltjes bewogen op een willekeurige, schokkerige manier en de keten behield een relatief uniforme dichtheid langs zijn gehele lengte. Echter, naarmate de bol sneller begon te bewegen, vond er een dramatische verandering plaats. Zodra de snelheid een specifieke drempel overschreed, splitste het gedrag van de keten zich in twee duidelijke zones. Het achterste deel van de keten, direct tegen de duwende bol aan, werd plotseling extreem druk. De kraaltjes pakten zich dicht op, bewogen nauwelijks en gedroegen zich bijna alsof ze in een solide blok waren bevroren. In contrast hiermee bleef het voorste deel van de keten, ver voor de bol uit, los en verspreid, waarbij de kraaltjes vrij en snel bewogen. Dit creëerde een vreemde, tweeledige staat waarbij een dichte, verstopte regio samenbestond met een losse, vloeiende regio langs hetzelfde enkele molecuul.

De onderzoekers ontdekten dat deze splitsing plaatsvond ongeacht of de kraaltjes elkaar afstoten of licht aantrekken. Of de kraaltjes elkaar nu wegduwen of naar elkaar toe trekken, de overgang naar deze tweestandsconditie vond plaats bij ongeveer dezelfde snelheid. Deze observatie leidde de wetenschappers tot de conclusie dat de verandering niet werd veroorzaakt door de chemische aard van de kraaltjes of een verschuiving in de fase van het materiaal, zoals water dat in ijs verandert. In plaats daarvan was de verandering puur dynamisch, gedreven door de snelheid van de duw. Wanneer de bol langzaam bewoog, hadden de kraaltjes genoeg tijd om opzij te wippen en zich te verspreiden. Maar wanneer de bol snel genoeg bewoog, konden de kraaltjes niet snel genoeg opzij bewegen. Ze stapelden zich op tegen de bol, wat een verkeersopstopping creëerde waarbij de kraaltjes gevangen zaten door hun buren en niet meer vrij konden bewegen.

Om precies te begrijpen wat er binnenin deze opstopping gebeurde, keken het team nauwgezet naar hoe de keten vouwde. Bij lage snelheden vormde de keten kleine, tijdelijke knikken die snel verschenen en weer verdwenen. Maar naarmate de snelheid voorbij de drempel toenam, groeiden deze knikken uit tot grotere, meer permanente vouwen. De keten begon zichzelf dubbel te vouwen, waardoor lussen en parallelle strengen ontstonden die in dezelfde kleine ruimte waren opgesloten. Deze vouwen fungeerden als een mechanisme om de kraaltjes nog compacter te verpakken, waardoor de dichte regio kon ontstaan. Interessant genoeg, ondanks dat de keten samengeperst en gevouwen was in een strakke bal, vonden de onderzoekers geen bewijs van knopen. De keten draaide en boog, maar raakte nooit in de knoop op een manier die niet meer ontwarbaar was. Dit suggereert dat het verstoppingseffect wordt veroorzaakt door de fysieke drukte en het vouwen van de keten, en niet door de vorming van complexe knopen.

De studie vergeleek hun resultaten ook met andere simulaties die geen rekening hielden met de beweging van de vloeistof rond de kraaltjes. In die eenvoudigere modellen, waarbij de vloeistof werd behandeld als een statische achtergrond, waren de resultaten anders en vertoonden ze soms knopen bij hoge snelheden. De onderzoekers ontdekten dat wanneer zij de werkelijke stroming van de vloeistof meenamen, het gedrag veranderde en er geen knopen ontstonden. Dit benadrukt het belang van de beweging van de vloeistof: de bol duwt het water voor zich uit, en de keten duwt het water terug, wat een complexe stroming creëert die helpt de keten ontward te houden terwijl deze wordt samengedrukt. De bevindingen suggereren dat het verstoppen van polymeren in nauwe kanalen een robuust fenomeen is dat afhangt van snelheid en opsluiting in plaats van de specifieke chemische details van het molecuul.

Uiteindelijk onthult het onderzoek dat een polymeer in een nauw kanaal niet simpelweg uniform wordt samengedrukt. In plaats daarvan ondergaat het een scherpe transitie waarbij het zich splitst in een dichte, verstopte staart en een losse, vloeiende kop. Dit gebeurt omdat de snelheid van de duw de capaciteit van de kraaltjes om te diffunderen en zichzelf te herschikken overtreft. De dichte regio wordt gekenmerkt door kraaltjes die strak zijn ingekapseld door hun buren en nauwelijks bewegen, terwijl de losse regio vloeiend en actief blijft. Dit gedrag, waargenomen in simulaties met zowel afstotende als aantrekkende kraaltjes, wijst op een fundamentele dynamische limiet waarbij de beweging van de keten wordt bepaald door de snelheid van de uitgeoefende kracht. Het werk biedt een helderder beeld van hoe complexe moleculen zich onder druk gedragen, wat inzichten kan bieden die kunnen helpen bij het verbeteren van technologieën voor het sorteren en analyseren van DNA en andere biologische moleculen in microscopisch kleine kanalen.