学过物理的都知道布朗运动,指悬浮在液体或气体中的微粒所做的永不停息的无规则运动,作布朗运动的微粒的直径一般为万分之一到百分之一毫米。

布朗运动的名称源自于植物学家罗伯特·布朗(Robert Brown)于1827年在显微镜下他观察花粉粒时产生的抖动感。从那以后,对布朗运动的性质进行了深入研究:它们是由快速运动的分子撞到运动较慢的微粒中引起的,正如爱因斯坦和佩林后来在1900年代初期所解释的那样。

如果这些运动的微粒不是刚性的、而是柔性,它们该如何运动与变化呢?这是许多物理学家在考虑的基本问题,因为许多微粒,比如生物体中的酶、RNA和抗体等,其中大多数不是刚性的而是柔性的,布朗运动影响生物微观颗粒:它们可以改变形状,从而改变其功能。

一个荷兰科学家团队在最近的《物理评论研究》杂志上所发表的论文对此予以了专门研究并提出了新的认知。研究人员建立了一个模型系统,可以想象到微米级的柔性物体,同时也可以在光学显微镜下对其进行研究。

研究小组使用一种微米级珠子的胶体,可以在水中移动,并且可以用显微镜观察。该小组开发了一种方法,用插入的DNA分子包被脂质双层中的胶体,该DNA分子可以选择性地偶联到另一个胶体颗粒周围的DNA分子上。这将创建一个可以自由更改其形状的铰链,因为围绕颗粒的脂质双层是流体。

以这种方式耦合的一系列三个胶体是模型系统。通过跟踪三个显微镜形成的角度,很容易看到显微镜下的灵活性。在这些三胞胎在周围水分子的轰击下扩散、移动、旋转以及关闭和打开时,研究人员拍摄了其中的约30个三胞胎。

研究人员对视频进行了分析,得出了刚性和柔性布朗运动之间的首次实验比较。第一个结果:柔性粒子的运动速度比刚性粒子快。研究人员表示:“这是一个很小但可测量的差异,大约为百分之三。更重要的是,我们发现形状变化和位移之间存在一定的耦合。”这个含义很微妙, “当扇贝主动闭合其壳时,它将朝着铰接点的方向前进。我们发现我们的微小铰链(它们只是被动地运动)具有相似的相关性,并称为布朗准扇贝模式。”

尽管微妙,研究人员观察到布朗氏打开和闭合与三重态产生的运动之间存在明确的统计相关性。这些相关性已经被预测,现在终于被证实。

最后,作者研究了时间的影响。就像硬质颗粒一样,处于扩展状态的柔性三聚物沿其长轴移动的速度要快于其短轴。对于刚性颗粒,由于其旋转运动,该效果会随时间消失。对于柔性颗粒,此过程发生得更快,因为它们还会改变形状,从而导致该首选方向变得平坦。

因此,发生这种情况的速度在很大程度上取决于灵活性。研究人员说:“从刚性颗粒大约30秒到柔性颗粒大约10秒。”“像这样的测量非常重要,因为许多生物分子也是柔性的,它们之间的相互作用也取决于此。例如,蛋白质和受体之间的锁键配合可能会受到布朗形状变化的影响。”

此外,柔性胶体-铰链可用作原子耦合的简单分子的模型。但是尽管分子无法使用显微镜分辨,但胶体却可以。

该研究结果和方法最终可能对药物和疾病的研究有用,但是研究人员强调,这是基础研究,主要旨在了解潜在的物理过程与机理。

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