В новом исследовании описывается, как сферы могут быть преобразованы в витые шпиндели благодаря знаниям навигационных инструментов 16 века.
Биология полна сложных узоров пыльцевых зерен и логарифмических спиралей раковин наутилуса, сложных узоров, форм и геометрий. Многие из этих сложных структур играют важную роль в биологическом функционировании, но без современного оборудования или дорогостоящих и энергоемких процессов и материалов их создание в лаборатории может быть затруднено. Однако, у ученых есть хорошие новости.
Исследователи показывают, как полимеры могут сжиматься в спиральные структуры, известные как локсодромы, которые имеют сложную структуру, в десять раз меньшую, чем толщина человеческого волоса. Исследование проводилось аспиранткой Университета Пенсильвании Элен Энсэлл, постдоком Даесок Ким и профессорами Рэндаллом Камьеном и Элен Катифори в Школе искусств и наук в сотрудничестве с Терезой Лопес-Леон из Высшей школы физики и химии в Париже.
Ким, работавший над этим проектом в ESPCI до приезда в Пенн, был вдохновлен другими исследованиями, показавшими, что смесь полимера и жидкого кристалла приобретает новую форму при помещении в другой растворитель. Это изменение является также обратимым и воспроизводимым, при этом для изменения формы требуется совсем немного энергии или вообще не требуется никакой энергии. Отсутствие необходимости в энергии для трансформации может способствовать поиску дальнейшего применения данного свойства.
Одному не справиться
Чтобы понять интересные конформационные изменения, которые Ким увидел в лаборатории, он искал теоретиков, которые могли бы помочь понять, как геометрия полимера привела к его изгибу и сжатию. После просмотра микроскопических изображений и данных, собранных и проанализированных Кимом, Энсэлл получила первоначальное представление о том, что такое структура шпинделя: локсодром.
Локсодром - это дуга, проходящая под постоянным углом через сферу и называемая, как правило, неровными линиями. Моряки XVI-XIX веков использовали эти линии для навигации, позволяя им устанавливать компасы в постоянном направлении, чтобы их кораблю не пришлось менять направление.
"Мы пытались выяснить, так ли это, - говорит Энсэлл о том, чтобы выяснить, верна ли ее гипотеза. "Мы думаем, что нашли эти локсодромы, поэтому пришлось сравнивать, как они выглядят, с данными."
Затем Энсэлл разработала математическую модель, которая описывает, как сферы растягиваются и скручиваются, используя в качестве отправной точки геометрию локсодрома. Сравнивая результаты своей теории с данными, полученными от Ким, она смогла показать, что смена растворителя привела к усадке полимеров, в результате чего их форма стала скручиваться по мере сокращения полимерных цепочек вдоль долготных линий сферы.
На вершине шпинделей находятся спирали размером в микрон, почти в сто раз меньше, чем ширина человеческого волоса. Для создания небольших рукотворных узоров обычно требуются дорогостоящие методы и оборудование, но этот метод изготовления самостоятельно собранных малых конструкций с использованием материалов, из которых начинается курс обучения, намного проще.
Полимерный локсодром является последним открытием, которое углубляется в интересы группы Камьен в пересечении химии и геометрии. Камьен говорит, что многие взаимодействия в биологии, такие как сворачивание белка, иммунная реакция и даже запах, обычно изображаются как химическая связь, но подчеркивает, что геометрия также определяет многое из того, что происходит в биологии.
"Подумайте о белках, - говорит Камьен, - У вас есть различные аминокислоты, и они притягиваются по-разному, но когда все готово, у вас есть гигантский глобус, и есть маленький карман, который захватывает остатки, поэтому вы думаете об этом геометрически". Объяснение Хелен совершенно геометрическое: оно не включает ничего конкретного о том, как работает связка."
Дальше только развитие
Для Ким это исследование - первый шаг на пути изучения уникальных структур в других биологических системах. Разрабатывая новые типы полимерных частиц и испытывая их в различных условиях, он надеется узнать больше о том, как работают приводы формы, особенно в системах, которые скручиваются и сжимаются.
"Мы могли бы изучать биологическую материю природы, имитируя подобную топологическую модель, - говорит он, - и мы можем решить или изучить какую-то сложную проблему в природе".
Теперь, совершенно случайно, усилия Энселл заложили основу для еще одного несвязанного проекта, в котором она некоторое время застряла и который, похоже, также имеет решение проблемы локсодрома.
"Они просто появляются", - говорит она о форме витого шпинделя.
"Как сказал Пастер, удача благоприятствует подготовленному разуму", - добавляет Камьен. "Теперь мы готовы их искать."
