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Chimia 38 (1984) Nr. 6 (Juni)
Abb. 21: Entknäuelung in der Strömung am Beispiel einer DNA Doppelhelix von 50 µm Fadenlänge
Eine weitere damals studierte interessante Möglichkeit der Entknäuelung von Fadenmolekülen besteht darin, dass man am Ende des Fadens eine geladene Gruppe anbringt und den Faden in einem elektrischen Feld wandern lässt [17], oder, was auf dasselbe hinausläuft, wenn man das Ende fixiert und das Molekül in eine Strömung bringt (Abb. 21). Bei schwacher Strömung wird das Knäuel nur geringfügig deformiert, bei stärkerer Strömung entknäuelt sich der Faden vom Fixpunkt aus. Der Fadenabschnitt am fixierten Ende steht unter dem stärksten Zug, da er das ganze restliche Molekül gegen die Strömung festhalten muss. Mit wachsender Strömung entknäuelt sich schliesslich der ganze Faden.
Abb. 22: Hydrodynamische Kraft zum Strecken des Fadens, abgeschätzt unter Zugrundelegung des Perlenkettenmodells
Bei einem DNA-Doppelstrang von 50 µm Länge sollte nach der damals entwickelten Theorie die vollständige Entknäuelung schon bei einer winzigen Strömungsgeschwindkeit von 0,05 mm/s. erreicht sein. Man hat also hier einen sehr empfindlichen Sensor für Strömungen. Man kann den Wert leicht abschätzen. Für ein herausgegriffenes Fadenelement (Abb. 22) muss die Energie zur Orientierung, also Kraft K mal Weg 2A grösser als kT sein. K entspricht dem hydrodynamischen Widerstand des Kettenstückes. Mit einer Modellvorstellung von Werner Kuhn aus dem Jahr 1932 [18], dem Perlenkettenmodell, kann man K leicht abschätzen (Abb. 22). Da auch für das letzte Element die Energie zum Orientieren noch nicht klein gegen kT sein darf, ergibt sich für die Strömungsgeschwindigkeit v zum völligen Strecken der Wert in Abb. 22. Umgekehrt kann man fragen, wie schnell sich ein gestreckter Faden zusammenzieht (Abb. 23), wenn zur Zeit Null das eine Ende losgelassen wird und das andere weiterhin festgehalten bleibt. Es ergibt sich für x in Abhängigkeit von t die einfache Beziehung, die in Abb. 23 wiedergegeben ist.
Abb. 23: Fadenende unten wird zur Zeit t = o losgelassen. Nach dem Modell von Abb. 22 ist
Seit kurzem kann man dieses Verhalten direkt im Mikroskop mit elektronischer Bildverstärkung sichtbar machen und im Film darstellen, und zwar mit DNA-Molekülen, die fluoreszierende Farbstoffe tragen. Das ist von Yanagida et al. in Kyoto gezeigt worden [19]. Ich möchte einen Ausschnitt aus dem Film zeigen, den mir Herr Yanagida freundlicherweise zur Verfügung gestellt hat, weil man darin einen so direkten Nachweis für die Richtigkeit der Modellvorstellungen von Werner Kuhn sieht.
S.199