Kümelenme, yüklü polimerlerin suda ayrılma şeklini değiştirerek eski varsayımlara meydan okuyor

Yeni araştırmalar, sıvı karışımların nasıl ayrıldığına dair polimer biliminin ortaya çıkmasının insan sağlığı, metabolizma ve hastalıklar üzerinde önemli etkileri olabileceğini gösteriyor. dergisinde yayınlanan kısa bir raporda Ulusal Bilimler Akademisi BildirileriChicago Üniversitesi Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu (UChicago PME) Profesörü Matthew Tirrell ve Freie Universität Berlin Profesörü Matthias Ballauff, sudaki yüklü polielektrolit polimerlerin ayrılmasında rol oynayan daha önce gözden kaçan faktörleri ortaya çıkardı ve 1950’lerden bu yana bu alanda hakim olan varsayımlara meydan okudu.

Tirrell, sürecin biyomoleküler yoğunlaşma oluşturmadaki rolünü vurgulayan son çalışmayla, bu sıvı-sıvı faz ayrımına yönelik araştırmaya “yeni bir aciliyet kazandırıldığını” söyledi. Hem boyut hem de işlev açısından biyomoleküller ile hücreler arasındaki boşluğu dolduran bu zarsız hücresel yapılar, yaşam için gerekli birçok görevi yerine getirir.

UChicago PME Malzeme ve Sürdürülebilirlik Enstitüsü müdürü Tirrell, “Biyomoleküler yoğunlaşmalar stres tepkisinde, sinyal iletiminde, metabolizmada, gen regülasyonunda ve birçok insan hastalığında önemli roller oynuyor” dedi. “Onların oluşmasına yardımcı olan mekanizmaları anlamak, faz ayrımını anlamayı fizik veya kimya için olduğu kadar biyoloji için de önemli kılıyor.”

Son on yılda giderek artan sayıda araştırma, sıvı-sıvı faz ayrımının bu canlı hücre altı kabarcıkların oluşmasına yardımcı olduğunu gösterdi; ancak yeni çalışma, sürecin nasıl işlediğini derinlemesine ele alıyor.

Ballauff, “Biyolojik sistemlerde oluşan biyomoleküler yoğunlaşmalar son yıllarda neredeyse patlayan bir alan haline geldi” dedi. “Biyolojideki önemi hakkında çok şey biliyoruz ancak denge faz diyagramları gibi temel konular hakkında çok daha az bilgimiz var gibi görünüyor.”

Bu konuyu incelemek için ikili, Tirrell’in laboratuvarında 2018’de yayınlanan bir dizi deneysel veriyi yeniden ziyaret etti. Bir zamanlar kafa karıştırıcı olan veriler, alandaki son bilgiler göz önüne alındığında aydınlatıcı hale geldi.

Araştırmada yer almayan Minnesota Üniversitesi Kimya Mühendisliği ve Malzeme Bilimi Bölümü Vekilleri profesörü Frank Bates, “Ballauff ve Tirrell, negatif ve pozitif yüklü makromoleküllerin sulu karışımlarının faz davranışına dair yeni bilgiler ortaya koyuyor” dedi.

“Seyreltik çözeltideki moleküler kümelenmeye atfedilebilen, poliiyonların faz ayrılmasıyla ilgili daha önce yayınlanmış ancak kafa karıştırıcı sonuçları yeniden ele alıyorlar.”

Poliyon kümeleri

Sıvı-sıvı faz ayrımı, homojen bir sıvı karışımının iki ayrı faza ayrılması işlemidir. Bir şişe salata sosunu çalkalamak ve karışımın tekrar yağ ve sirkeye dönüşmesini izlemek, sürecin iş başında olduğunu gösterir.

1929’da bilim adamları, zıt yüklere sahip yüksek yüklü polielektrolit polimerleri su içinde karıştırırken benzer bir ayrım buldular.

1957’de geliştirilen Voorn-Overbeek modeli onlarca yıldır araştırmacılara reaksiyonu tek bir değişken, eşit zincir uzunluğu ve yük fraksiyonuna sahip iki simetrik polimerin basit bir şekilde soyulması şeklinde modellemeyi öğretti. Karışımın bileşimi ne olursa olsun, bileşenler bir zamanlar oldukları hallerine ayrılacaktı. Salata sosu benzetmesinde yağ tekrar yağa, sirke ise sirkeye ayrılıyordu.

Tirrell ve Ballauff’un araştırması, bu modelin bazı durumlarda değerli olmasına rağmen, iki sıvının ayrılma şeklini etkileyebilecek önemli bir faktörü göz ardı ettiğini gösteriyor. Poliyonların (tek bir birim gibi davranan yüklü moleküller veya bağlı atomlar) işlem sırasında farklı boyut ve konsantrasyonlarda kümelendiğini ve kümelendiğini buldular; bu da sürecin 1950’lerden bu yana varsayıldığından çok daha karmaşık olduğunu gösterdi.

Tirrell, “Alan, bu kümelenmenin, faza ayrılmış bileşenlerin bileşimini, başlangıçtaki karışımın başlangıçtaki bileşimine bağlı hale getireceği gerçeğini gözden kaçırmıştı” dedi. “Kümelenme olmadan bu gerçekleşemez.”

Tirrell, bu güncel araştırmanın polipeptitler (uzun amino asit zincirleri) hakkındaki önceki verileri yeniden gözden geçirmesine rağmen, Tirrell ve Ballauff’un bu sürecin diğer polielektrolit sistemlerde nasıl çalıştığını araştırdığını söyledi. Ancak ikili, yetmiş yıldır kilitlenen bilimsel varsayımları değiştirmenin uzun bir süreç olacağını öngörüyor.

Ballauff, “Alandaki insanların biyomoleküler yoğunlaşmaların faz diyagramlarının genel olarak varsayıldığından farklı göründüğünü fark etmesi biraz zaman alacak” dedi. “Sonuçlarımızın sonuçta sahada önemli bir etkisi olacağına inanıyoruz.”