Les physiciens des polymères de l'Université du Massachusetts à Amherst rapportent aujourd'hui le comportement inattendu et auparavant inconnu d'une macromolécule chargée telle que l'ADN intégré dans un hydrogel chargé, où il affiche ce qu'ils appellent une incapacité "topologiquement frustrée" à se déplacer ou à diffuser dans le gel, un phénomène qu'ils décrivent dans le courant Communication Nature .

Le professeur de physicien des polymères Murugappan "Muthu" Muthukumar, avec le chercheur postdoctoral Di Jia, utilisé des techniques de diffusion de la lumière pour étudier le comportement de grandes molécules d'ADN dans un maillage géométrique de 96 pour cent d'eau, où ils s'attendaient à ce qu'il se déplace très lentement, mais pour finalement se diffuser comme le feraient tous les systèmes connus auparavant.

Muthukumar explique, "Les scientifiques savent depuis plus d'un siècle que toutes les molécules ont un mouvement brownien, c'est-à-dire qu'ils se déplacent et diffusent, y compris l'ADN et d'autres très grosses molécules. La vitesse de diffusion dépend de la molécule, et les grands peuvent être très lents. C'est normal et c'est ce que nous observons depuis plus de 100 ans."

Mais ce que Jia a découvert et Muthukumar a confirmé avec des calculs théoriques, c'est qu'elle pouvait concevoir un hydrogel de 96 pour cent d'eau en utilisant un gel à plusieurs compartiments pour capturer une grosse molécule d'ADN qui est incapable de diffuser du tout. D'où leur terme, « dynamiques frustrées topologiquement, " où topologique fait référence à l'idée qu'une seule molécule est contenue dans de nombreuses chambres différentes constituant le gel. Jia note, "La molécule d'ADN ne peut pas du tout bouger, il est coincé."

Muthukumar ajoute, "La technique de capture de polymères et de molécules dans une suspension liquide est importante pour la thérapie génique, par exemple, et en thérapie tissulaire où nous voulons amener des macromolécules et des médicaments volumineux à un endroit spécifique et les y maintenir. »

Pour comprendre le design de Jia, cela aide à imaginer une molécule piégée dans un maillage cubique de 30 compartiments à peu près égaux, dit Muthukumar. Afin de diffuser, l'un des compartiments doit initier le mouvement, "mais pour faire ça, il doit faire glisser tous les 29 autres compartiments avec lui. Il essaiera de bouger, mais il deviendra frustré, battant des ailes pour ainsi dire, et le tout sera bloqué. Localement, il a une certaine dynamique, mais la mobilité dans son ensemble est frustrée."

Il ajoute que la découverte a été une surprise, "mais quand on y pense, il est logique que le corps et ses tissus veuillent un système capable de retenir des macromolécules comme l'ADN, pour les maintenir en place. Maintenant que nous avons fait une compréhension théorique de cette découverte, nous pensons que c'est un phénomène universel dans le corps, où l'ADN doit être piégé en place."

Plus loin, "Ce modèle physique peut expliquer un phénomène biologique observé, " dit-il. " Je pense que les biologistes découvriront que notre observation se passe dans des environnements surpeuplés comme la cellule, et les chercheurs travaillant sur l'administration de médicaments découvriront comment l'utiliser."

Andrew Lovinger, le responsable du programme de la National Science Foundation (NSF) qui a soutenu la recherche, dit, "Ce nouvel état dynamique est vraiment une découverte surprenante. Il révise la compréhension de longue date des scientifiques de la diffusion des polymères, et contribuera à stimuler la recherche fondamentale en science des polymères pour les systèmes biologiques et synthétiques. »

Pour étudier de tels systèmes, Jia met en place des expériences où elle manipule des variables telles que la structure du gel, la concentration en polymère et les poids moléculaires des molécules sondes. Elle capture ensuite plusieurs molécules différentes à l'intérieur de différents gels et utilise la diffusion de la lumière pour observer leur comportement. L'analyse dynamique de la diffusion de la lumière fonctionne en suivant la diffusion de la lumière qui émerge après qu'un faisceau lumineux est envoyé dans un liquide contenant un polymère en suspension. Un chercheur qualifié peut déterminer la structure moléculaire du polymère, à quelle vitesse et d'autres caractéristiques de son mouvement. Jia est un expert accompli de la technique, note Muthukumar.

Pour ce travail, Jia dit qu'elle a expérimenté à la fois des molécules synthétiques et naturelles et que les deux ont présenté le même phénomène. Aussi, elle a pu montrer que si chaque chambre de la structure du gel n'est pas assez grande et que la macromolécule se divise en très petits morceaux, il pourra alors diffuser.

Muthukumar dit qu'il réfléchit depuis 20 ans à la manière d'exploiter les conformations d'un polymère, ce qui les rend utiles pour une variété d'applications. "Pour explorer cela, vous devez créer des barrières, » précise-t-il. « Je me suis demandé, et si plusieurs barrières devaient être surmontées simultanément, que va-t-il se passer ? Ce que je pense que nous voyons, ce sont des négociations simultanées en cours. La matrice a son propre léger mouvement dans la dynamique du gel, et la molécule a sa propre dynamique. À la fin, nous avons trouvé que le résultat est si simple pour un système aussi grand et compliqué."