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分子力DNA的惊人拉伸行为:它们的机械性能与宏观物体的机械性能完全不同-这对生物学和医学具有重要意义
2021年04月19日    阅读量:1673     新闻来源:中国建材网 cnprofit.com    |  投稿

当较大的力(例如在桥梁施工中)作用在重梁上时,梁会略微变形。计算力,内应力和变形之间的关系是土木工程的标准任务之一。但是,当您将这些考虑因素应用到微小物体(例如,单个DNA双螺旋结构)时会发生什么?


DNA分子的实验表明,其机械性能与宏观物体的机械性能完全不同-这对生物学和医学具有重要意义中国建材网cnprofit.com。维也纳工业大学(维也纳)的科学家现已成功地结合了土木工程学和物理学的思想,详细解释了这些特性。


在分子水平上的意外行为


乍一看,您可能会认为DNA双螺旋是一个很小的小弹簧,您可以像普通弹簧一样简单地拉伸和压缩。但这不是那么简单:“如果您拉伸一段DNA,您实际上会希望减少转数。


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但是在某些情况下,情况恰恰相反:“当螺旋线变长时,它有时会扭曲得更多, ”来自维也纳工业大学材料与结构力学研究所的土木工程师Johannes Kalliauer说道。“除此之外,DNA分子比我们通常在土木工程中处理的材料更具延展性:在拉伸应力下,DNA分子的寿命可以延长70% 。”


DNA的这些奇怪的机械特性对生物学和医学非常重要:“当从活细胞中的DNA分子中读取遗传信息时,几何形状的细节可以确定是否发生读取错误,在最坏的情况下可以甚至会导致癌症。” “直到现在,分子生物学仍必须以经验方法来解释力与DNA几何形状之间的关系。”


在他的论文中,约翰内斯·卡尔利厄(Johannes Kalliauer)深入探讨了这一问题-他以一种相当不寻常的主题组合的方式做到了这一点:他的工作一方面受到土木工程师克里斯蒂安·赫尔米奇(Christian Hellmich)教授的监督,另一方面另一方面是理论物理研究所的Gerhard Kahl教授。


Kalliauer解释说:“我们使用分子动力学方法在计算机上以原子级复制DNA分子。” “您可以确定DNA螺旋如何被压缩,拉伸或扭曲-然后您可以计算发生的力以及原子的最终位置。” 这样的计算非常复杂,只有在大型超级计算机的帮助下才有可能-Johannes Kalliauer为此目的使用了维也纳科学集群(VSC)。


这样,可以解释奇怪的实验发现-例如违反直觉的结果,即在某些情况下,DNA拉伸时甚至会扭曲得更多。约翰内斯·卡尔利乌尔(Johannes Kalliauer)说:“很难大规模地想象,但是在原子层面上,这都是有道理的。”


奇怪的中间世界


在理论物理的原子模型内,可以确定原子间的力和距离。使用团队根据土木工程原理制定的某些规则,可以确定将DNA链整体描述所需的相关力大小-类似于可以使用一些土木工程来描述梁的静力学的方式重要的截面特性。


约翰内斯·卡尔利乌尔(Johannes Kalliauer)说:“我们正在微观和宏观之间的一个有趣的中间世界中工作。” “这个研究项目的特别之处在于,您确实需要两种观点,并且必须将它们结合起来。”


尺寸尺度明显不同的这种组合在材料与结构力学研究所一次又一次地扮演着中心角色。毕竟,我们每天大范围内感觉到的材料特性始终取决于微观行为。当前的研究成果已经发表在《固体力学与物理学杂志》上,其目的是一方面展示如何以科学精确的方式将大与小结合起来,另一方面帮助更好地了解DNA的行为-一直到遗传疾病的解释。


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