Polymere kriechen wie Würmer: Wenn Materialien Richtungen von selbst einschlagen

Forscher der Universität Wien haben ein überraschendes Phänomen entdeckt: Polymerketten mit Segmenten, die mit unterschiedlicher Intensität schwanken, können spontan eine gerichtete, anhaltende Bewegung entwickeln, wenn sie dicht gepackt sind – obwohl nichts im System sie in eine bestimmte Richtung lenkt. Dieses "entropische Tauziehen", das durch grundlegende physikalische Zwänge angetrieben wird, könnte helfen zu erklären, wie sich DNA in lebenden Zellen organisiert und bewegt. Auch für neue Materialien ist damit ein Grundstein gelegt. Die Studie wurde kürzlich in Physical Review X veröffentlicht.

"Stellen Sie sich eine Kette vor, die durch einen dichten Wald von Bäumen verläuft. Die Bäume stellen Hindernisse dar, die durch die anderen Ketten im System entstehen. Dann wird ein Ende der Kette viel stärker geschüttelt als das andere", erklärt Hauptautor Jan Smrek von der Fakultät für Physik der Universität Wien. "Man könnte erwarten, dass sie sich dann nur zufällig an Ort und Stelle bewegt. Wir haben jedoch festgestellt, dass die Kette sich ihren Weg zwischen den Bäumen bahnen muss. Dabei erzeugen Unterschiede in der Intensität der Erschütterungen ein Ungleichgewicht, das wiederum die gesamte Kette tatsächlich durch den Wald vorantreibt."

Die Rede ist hier von einer Polymerkette, dabei handelt es sich um große Moleküle, die zu einer langen Kette miteinander verbunden sind. Das Wiener Forschungsteam – Adam Höfler, Iurii Chubak, Christos Likos und Jan Smrek – verwendete Computersimulationen und analytische Theorie, um zu zeigen, dass diese gerichtete Bewegung ausschließlich aus topologischen Zwängen entsteht. Wenn Polymerketten verwickelt sind und sich nicht gegenseitig passieren können, erzeugen Segmente mit stärkeren Schwankungen, die wiederum zu einem höheren "Zustand der Unordnung" führen (Erklärung siehe Abbildung 1). Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht, das die gesamte Kette entlang ihrer eigenen Kontur vorwärtstreibt, wobei der stärker schwankende Teil als "Kopf der Schlange" fungiert, der sich durch den "Wald der Hindernisse" bewegt.

Im Gegensatz zu früheren Modellen aktiver Polymere, die auf Richtungskräften basieren, erfordert dieser Mechanismus lediglich eine Differenz in der Schwankungsamplitude zwischen den Segmenten. Diese Erkenntnis hat direkte Relevanz für Chromatin – den Komplex aus DNA und Proteinen im Zellkern. Verschiedene zelluläre Prozesse wie Transkription und DNA-Reparatur erzeugen lokal begrenzte Bereiche mit erhöhter Aktivität entlang der Chromatinfaser. Die Arbeit der Forscher legt nahe, dass allein diese Aktivitätsunterschiede die in lebenden Zellen beobachteten kohärenten Chromatinbewegungen antreiben könnten.

Die Studie zeigt auch, wie die Dynamik vom Grad der Kettenverflechtung abhängt. Bei höheren Dichten wird die gerichtete Bewegung schneller und ausgeprägter. Die Forscher fanden heraus, dass einzelne Segmente auf mittleren Zeitskalen eine superdiffusive Bewegung zeigen können – sie bewegen sich schneller, als es die zufällige Diffusion vorhersagen würde.

"Diese Arbeit schlägt eine Brücke zwischen Materialwissenschaft und Biologie", sagt Smrek. "Wir zeigen, dass dieselbe Physik, die synthetische Polymere regiert, auch das Verhalten in lebenden Systemen erklären kann. Und sie legt nahe, dass wir neue Materialien entwickeln könnten, die spontan gerichtete Transporteigenschaften entwickeln", fügt Smrek hinzu.

Die Ergebnisse eröffnen neue Wege für die Entwicklung funktionaler aktiver Materialien und bieten einen Rahmen für die Interpretation von Chromatindynamik-Experimenten. Sie könnten weiter untersuchen, wie sich diese Effekte mit anderen aktiven Prozessen in biologischen Systemen verbinden, und Anwendungen in intelligenten Materialien erforschen, die Fracht transportieren oder sich selbst heilen könnten.

Die Forschungsergebnisse von der Europäischen Union im Rahmen des QLUSTER-Projekts unterstützt. Dieses Projekt baut auf der Masterarbeit von Adam Höfler unter der Betreuung von Jan Smrek auf.

Zusammenfassung:

• Polymerketten mit Segmenten, die in unterschiedlichem Ausmaß schwanken, entwickeln spontan eine anhaltende, gerichtete Bewegung, wenn sie dicht gepackt sind.
• Der Mechanismus entsteht durch ein Ungleichgewicht der entropischen Kräfte an den Kettenenden aufgrund topologischer Beschränkungen – Ketten können sich nicht kreuzen.
• Es sind keine eingebauten Richtungskräfte erforderlich; allein der Unterschied in der Schwankungsstärke treibt den Effekt an.
• Die Ergebnisse tragen zur Erklärung der Chromatindynamik in lebenden Zellen bei und könnten neue Materialien ermöglichen.
• Einzelne Segmente zeigen eine superdiffusive Bewegung, die sich auf mittleren Zeitskalen schneller bewegt als die zufällige Diffusion.

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Originalpublikation:

Adam H. T. P. Höfler, Iurii Chubak, Christos N. Likos and Jan Smrek: Entropic Tug of War: Topological Constraints Spontaneously Rectify the Dynamics of a Polymer with Heterogeneous Fluctuations.In: Physical Review X, 2026. 
DOI: 10.1103/rkms-2v1l