Aufgrund der komplexen Verhaltensweisen ermöglicht durch ihre einzigartigen mechanischen Eigenschaften sind semiflexiblen Polymere Grundbausteine der lebenden Materie. Im Gegensatz zu flexiblen Polymeren verabschieden semiflexiblen Polymere eine ausgestreckte Konfiguration aufgrund ihrer nicht-verschwindende Rückgrat Steifigkeit zwar noch immer unter starken thermischen Schwankungen1. Somit können nicht rein stochastische Modelle auf ihr Verhalten, wie bei den extremen voll flexible oder starre Polymere angewendet werden. Das so genannte Endlosschraube-wie Kette Modell2,3,4 wurde entwickelt, um diese Steifheit über die lp, zu quantifizieren, ist die konstante Zerfall der Tangente Tangente Korrelation entlang der Filament-4. Wenn lp die Kontur Länge (lc) des Fadens vergleichbar ist, wird das Polymer semiflexiblen1betrachtet. Analog zu den Polen eines Zeltes, ihre Arrangements in Netzwerken oder Bündel stabilisiert das gesamte kollektive System bei geringer Lautstärke Brüche, führt zu ungewöhnlichen viskoelastischen Eigenschaften5,6,7, 8,9. Diese Strukturen bieten hohe Elastizitäten in großen Größen10, mechanische Integrität während noch diffusive zu erleichtern und aktiven Transportprozesse ineinander greifen. Diese Eigenschaft eignet sich besonders für biologische Systeme wie das Zytoskelett oder die extrazelluläre Matrix, aber es ist auch weit verbreitet in Essen engineering1,11,12.
Ihre Bedeutung für lebende Materie hinausgehen, ist es entscheidend, die physikalischen Eigenschaften dieser Strukturen umfassend zu untersuchen, um die Werkzeuge, um biomimetischer Materialien oder neuartige Hydrogele zu entwickeln. In Bezug auf die semiflexiblen Polymere bedeutet dies die systematische Ermittlung der kollektive Eigenschaften von Netzwerken aus Single-Filament Eigenschaften wie l-p und die Entwicklung eines beschreibenden theoretischen Rahmens. In bahnbrechenden Studien der zellulären Biopolymer-Aktin entstand als Modellsystem für semiflexiblen Polymere und ist immer noch weithin als der Goldstandard5,13,14,15 , 16 , 17. gründlichen Studien sind jedoch mit diesem System beschränkt, da sie die inhärenten Eigenschaften dieses Proteins gebunden sind. Verschiedene theoretische Ansätze zielten auf eine Baubeschreibung der nicht-triviale mechanischen Verhaltensweisen auf der Single-Filament-Ebene und führten zu insbesondere unterschiedliche Skalierung Prognosen für die Abhängigkeit von der linearen elastischen Plateau Schubmodul, G 0 (d. h. die "Elastizität" des Netzes), in Bezug auf die Konzentration (c) und lp6,7,13,14, 15,18,19,20,21,22,23. Während die Konzentration Skalierung leicht zugänglich in Experimenten mit Actin-basierte oder andere Modellsysteme ist und theoretische Vorhersagen rigoros wurden überprüft13,16,24, 25, die Skalierung in Bezug auf lp experimentell unzugänglich geblieben. Dies ist jedoch eine wichtige Einschränkung, da lp auch eine unabhängige Variable ist, die definierende Menge semiflexiblen Polymere.
Diese zentrale, natürliche Limitierung durch die festen lp von Aktin oder andere biologisch abgeleitet Polymere wie Kollagen wurde vor kurzem behoben, durch den Einsatz von Kachel-basierte DNA-Röhren, die einstellbaren in ihren mechanischen Eigenschaften sind 9 , 26 , 27 , 28. geringfügige Abweichungen in den Architekturen der Rohre (z. B. unterschiedliche Anzahl von einzelnen DNA-Stränge innerhalb der Einheit Ring) ergeben unterschiedliche Werte für lp, welches per Fluoreszenz-Mikroskopie ausgewertet werden kann, durch die Analyse einer schwankender Röhre oder durch die Auswertung der gebogenen Konfigurationen von mehreren Rohren eingehalten als zuvor beschriebenen9,28. Diese Analysen ergaben, dass l-p -Werte der verschiedenen Rohr Bevölkerungen über mehr als eine Größenordnung variieren und unterschiedliche Bewertungstechniken konsistente Ergebnisse9,28ergeben.
Überraschenderweise wurde die allgemeine Skalierung des linear elastischen Plateau Shear Modulus G0 in Bezug auf die Konzentration und lp berichtet, dass mit allen bisherigen Theorieansätze inkonsistent 9, insbesondere zeigen eine viel stärker als vorhergesagt Abhängigkeit von lp. Diese Ergebnisse unterstreichen den Wert eines neuen Modell-Systems, die zentralen Eigenschaften von semiflexiblen Polymeren zu studieren. Einsatz von n-Helix DNA Röhren drastisch erweitert den Anwendungsbereich dieser Untersuchungen. Nicht nur lp frei variiert werden ohne das Grundmaterial zu ändern, sondern die inhärente programmierbare Natur der DNA kann die systematische Untersuchung von Zusatzelementen, wie Querverbindungen oder kinetische Schaltvorgänge ermöglichen. Darüber hinaus diese Rohre sind in Wasser löslich und im Gegensatz zu den meisten Proteine stabil in angemessenen pH-Wert und ionischen Bedingungen für mehrere Wochen, ohne erkennbare Verschlechterung9.
Diese Rohre montieren eine diskrete Menge von DNA-Oligonukleotide verwendet wird, von denen jede enthält zwei Domänen, die komplementäre Basensequenzen zu zwei benachbarten Stränge Teilen (aufgrund der spezifischen Reihenfolgen kann kein einzigen Strang Strukturen wie Haarnadeln bilden). Die komplementäre Sequenzen hybridisieren zyklisch, geschlossene, halb-überlappende Ringe der doppelt-schraubenartigen Segmente n miteinander verbunden bilden (Abbildung 1A und B). Diese Ringe bilden bei einem diskreten Durchmesser (Abbildung 1) und deren Hälfte-überlappende Konfiguration stellt axiale klebrige enden, die komplementär zu den klebrigen Enden von einem anderen Ring. Diese selektive Ergänzung passender Oligonukleotide löst eine Stapelung der Ringe, führt zu der effektiven Polymerisation filamentöse DNA Helix Schläuche der Größe n (nHT). Ihre Konturen Längen messen in der Regel einige Mikrometer in der Länge, und ihre Längenverteilung ist vergleichbar mit der von Aktin Filamente9,26,27,28. Es wurde für ähnliche DNA Nanoröhrchen gezeigt, dass sie in der Tat Polymerisation Kinetik ähnlich denen von Aktin-Filamenten und Mikrotubuli aufweisenp Class = "Xref" > 29. Abhängig von der Anzahl n der einzelnen DNA-Stränge, aus denen die grundlegenden Ringstruktur ist die nHT-Architektur sowie seinen Umfang und Durchmesser, kontrollierbar variierbar. Weitere DNA-Stränge, erhöht den Umfang der Ringe/Rohre, und die entsprechende Änderung des architektonischen verschiebt sich die mechanischen Eigenschaften zu höheren l-p -Werte (Abbildung 1), entsprechend eine höhere Steifigkeit. Auf der mesoskopischen Skala, übersetzen diese größeren l-p -Werte weniger gebogen Konformationen aufgrund der höheren Steifigkeit (Abbildung 1 und E).