Une chaîne conçue de microbilles peut prendre le relais là où la modélisation informatique échoue aux chercheurs qui étudient la flexion, pliage et autres mouvements de polymères ou de biomolécules comme l'actine et l'ADN.

L'ingénieure chimiste et biomoléculaire de l'Université Rice Sibani Lisa Biswal et ses étudiants, l'auteur principal Steve Kuei, un étudiant diplômé, et co-auteur Burke Garza, un étudiant de premier cycle a créé des chaînes de billes de polystyrène rehaussées de fer pour les magnétiser et de streptavidine, une protéine naturelle qui sert de lien élastique entre eux.

Ils ont placé les cordes dans des solutions et les ont manipulées avec un champ magnétique tournant. Certains brins ont été faits pour être raides, certains un peu courbés et d'autres beaucoup plus flexibles. En appliquant une force magnétique extérieure, les chercheurs ont pu voir comment chaque type de corde réagissait et comparer les résultats avec des modèles informatiques de cordes ayant les mêmes propriétés.

Biswal a déclaré que la nouvelle plate-forme permet aux chercheurs d'étudier comment les chaînes de différents types se comportent dans des conditions dynamiques d'une manière évolutive qui n'est pas possible avec des simulations en raison du coût de calcul élevé. Cela pourrait profiter aux chercheurs qui étudient les protéines, L'ADN et l'ARN dans les systèmes biologiques ou ceux qui étudient les propriétés fluides des polymères qui s'entremêlent pour créer des gels ou la densité d'ordre et de compactage des cristaux liquides.

"Je peux voir des gens l'utiliser pour étudier les aspects pratiques de la construction, dire, des micro-robots aux queues agitées, ou des robots qui peuvent s'enrouler, " dit Biswal. Parce que la technique pourrait modéliser le mouvement flagellaire dans un environnement fluide, cela pourrait aussi aider à rendre possibles les organismes artificiels, elle a dit.

La recherche apparaît dans le journal de l'American Physical Society Liquides d'examen physique .

L'équipe Rice savait qu'il y avait déjà beaucoup d'informations disponibles sur les cordes rigides et flexibles, filaments et fibres et comment ils se sont déplacés en raison du mouvement brownien ou en réponse au cisaillement ou à d'autres forces. Mais il y avait très peu de données sur les fibres semi-flexibles comme l'actine, nanotubes de carbone et cils.

« Il y a beaucoup d'intérêt pour les matériaux qui se plient dans des géométries complexes, mais même des choses simples comme faire un nœud à l'échelle macro sont très difficiles à l'échelle micro, " a déclaré Biswal. " Nous avons donc développé une méthode pour nous permettre d'examiner les forces dynamiques impliquées. La capacité d'intégrer différentes flexibilités dans ce matériau est sa véritable puissance."

Les cordes isolées dans le liquide pourraient être secouées ou agitées, mais l'équipe Rice a construit un appareil pour faire tourner le champ magnétique qui a touché chaque perle avec une force douce. Ils ont observé des cordes qui réagissaient de différentes manières selon le niveau de flexibilité et/ou d'élasticité intégré.

Les tiges rigides tournaient simplement de concert avec le champ magnétique. Ceux qui ont un peu plus de souplesse "remuaient" la queue dans le champ mouvant, et les centres tournaient à mesure que les queues se détendaient. Des cordes plus longues et plus flexibles avaient tendance à s'enrouler, finalement compacter dans une forme avec moins de traînée qui leur a permis de se comporter comme leurs frères rigides.

"La plupart du temps, les chaînes ont une structure ouverte jusqu'à ce que vous allumiez le champ tournant et qu'elles se froissent, " dit Biswal. " Cela change les propriétés du fluide sous-jacent, car ils passent de beaucoup de place à très peu. Un fluide avec des ficelles pourrait passer de se comporter comme du miel à se comporter comme de l'eau."

De tels effets ne peuvent pas être vus directement avec des protéines qui sont à la fois plus petites de plusieurs ordres de grandeur et qui ont pourtant trop de billes - les résidus - pour simuler facilement leur repliement, dit Biswal.

"Il y a eu des travaux avec de l'ADN marqué par fluorescence et d'autres biofilms comme l'actine, mais ils ne peuvent pas obtenir cette résolution perle à perle que nous pouvons avec notre méthode, " dit-elle. " Nous pouvons réellement voir les positions de toutes nos particules. "

Les cordes dans la présente étude avaient jusqu'à 70 perles. Les chercheurs prévoient de faire des chaînes jusqu'à 1, 000 billes pour de futures études sur des dynamiques de pliage plus compliquées.