Mikroskopisch kleine Ketten, die DNA nachahmen

Kreisförmige Polycatenane sind Ketten, die sich bewegen und ihre Form ändern können: Sie drehen, dehnen und wickeln sich um sich selbst. Drei Physiker des europäischen Eutopia Cost-Netzwerks, koordiniert von UniTrento, haben sich der Erforschung dieser Strukturen verschrieben.

Während seit langem bekannt ist, dass die DNA-Konformation von grundlegender Bedeutung für die Regulation einer Vielzahl biologischer Prozesse ist, besteht die Herausforderung nun darin, zu verstehen, was in den Ringen von Ringen von Molekülen passiert und wie sie in Zukunft für deren Design verwendet werden könnten innovative Materialien mit besonderen elastischen Eigenschaften oder Smart Materials für Mikrosensorik und andere technologische Anwendungen.

Die Polymere, aus denen unser Körper besteht, wie Proteine ​​und DNA, sind Moleküle, die aus kleinen sich wiederholenden Einheiten bestehen, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden. Die Entdeckung neuer Techniken zur Synthese langer Polymere führte nach dem 2. Weltkrieg zur Expansion der Kunststoffindustrie.

In jüngster Zeit hat die chemische Forschung Techniken entwickelt, die es ermöglichen, supramolekulare Verbindungen zusammenzubauen, die nicht durch chemische Bindungen, sondern durch mechanische Bindungen wie die Ringe einer Kette zusammengehalten werden. Darunter sind zum Beispiel Polycatenane, Verbindungen, deren chemische und physikalische Eigenschaften die von Polymeren übertreffen.

Polycatenane hatten bereits 2016 für Aufsehen gesorgt, als Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart und Bernard L. Feringa für ihre Studien zu molekularen Maschinen den Nobelpreis für Chemie erhielten. Das wissenschaftliche Interesse an dem Thema wächst, aber bisher konzentrierten sich Wissenschaftler nur auf lineare Polycatenane und fast niemand hatte noch daran gedacht, die Ketten zu schließen, die die Ringe ineinander greifen, und ihr Verhalten zu beobachten.

Die Forschungsstudie, koordiniert von Luca Tubiana vom Institut für Physik der Universität Trient, Erstautor und korrespondierender Autor des Artikels in Briefe zur körperlichen Überprüfung, konzentrierte sich genau auf diese Ringe von Ringen von Molekülen. An der Arbeit auf dem Gebiet der Computerphysik weicher Materialien waren auch Enzo Orlandini von der Universität Padua und Franco Ferrari von der Universität Stettin (Polen) beteiligt.

Tubiana erklärt: „Unser Artikel zeigt, dass kreisförmige Polycatenane physikalische und geometrische Eigenschaften haben, die denen von doppelsträngigen DNA-Ringen sehr ähnlich sind. Insbesondere zeigen wir, dass eine Version des Satzes von Calugareanu-White-Fuller über die Verbindung lokaler und globaler Eigenschaften gilt auch für diese Strukturen. Mit anderen Worten, was aus unserer theoretischen Untersuchung hervorgeht, ist, dass es sogar in supramolekularen Strukturen, wie in der Physik der DNA, eine Verbindung zwischen dem gibt, was in einem Teil der Struktur und in ihrer Gesamtheit vor sich geht.“

Er fährt fort: „Die Stärke der Verdrillung der Polycatenane und der Grad der Kräuselung – ein Maß dafür, wie stark sich eine Kurve mit sich selbst verschränkt – hängen eng miteinander zusammen, je nachdem, wie die Molekülketten aufgebaut sind. Etwas sehr Ähnliches passiert in doppelsträngigen DNA-Ringen, bei denen die Summe aus Drehung und Windung der Anzahl entspricht, wie oft ein Strang um den anderen gewickelt wird.

„Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften stoßen diese Strukturen auf großes Interesse in der supramolekularen Chemie, Biologie und weichen Materie, wie der Nobelpreis für Chemie im Jahr 2016 und die jüngsten Fortschritte bei ihrer Synthese belegen. Dieser Mechanismus, der in zirkulärer DNA, ist von grundlegender Bedeutung zur Regulation einer Vielzahl biologischer Prozesse, können in zukünftigen supramolekularen Strukturen genutzt werden“, schloss Tubiana.

Ihr Artikel „Circular polycatenane: Supramolecular structure with topologically tunable properties“ wurde in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.