Polymere kriechen wie Würmer: Wenn Materialien Richtungen von selbst einschlagen

Forschende 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

Das Prinzip der Erschütterung: Wie Polymere sich ihren Weg bahnen

Jan Smrek veranschaulicht den Prozess mit dem Bild einer Kette, die durch einen dichten Wald aus Bäumen verläuft, wobei die Bäume die Hindernisse repräsentieren, die durch andere Ketten im System entstehen. Er führt aus: „Dann wird ein Ende der Kette wird viel stärker geschüttelt als das andere“. Während man vermuten könnte, dass lediglich eine zufällige Bewegung an Ort und Stelle erfolgt, zeigt die Forschung ein anderes Bild. „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“, erklärt Smrek weiter.

Topologische Zwänge als Motor: Die „Schlange“ im Polymerwald

Das Forschungsteam um Adam Höfler, Iurii Chubak, Christos Likos und Jan Smrek wies mittels Computersimulationen und analytischer Theorie nach, dass die gerichtete Bewegung dieser Polymerketten – großer, zu langen Ketten verbundener Moleküle – allein aus topologischen Zwängen resultiert. Da sich verwickelte Ketten nicht gegenseitig passieren können, erzeugen Segmente mit stärkeren Schwankungen einen höheren Zustand der Unordnung. Dieses Ungleichgewicht treibt die gesamte Kette entlang ihrer eigenen Kontur voran, wobei der stärker schwankende Teil als „Kopf der Schlange“ fungiert, der sich durch den „Wald der Hindernisse“ bewegt.

Neue Einblicke in die Chromatindynamik

Im Gegensatz zu herkömmlichen Modellen aktiver Polymere, die auf gerichteten Kräften basieren, setzt dieser Mechanismus lediglich eine Differenz in der Schwankungsamplitude zwischen den Segmenten voraus. Diese Erkenntnis besitzt eine direkte Relevanz für das Chromatin, den Komplex aus DNA und Proteinen im Zellkern, da zelluläre Prozesse wie Transkription und DNA-Reparatur lokal begrenzte Bereiche mit erhöhter Aktivität entlang der Faser erzeugen. Die Arbeit der Forschenden legt somit nahe, dass allein diese Aktivitätsunterschiede die in lebenden Zellen beobachteten kohärenten Chromatinbewegungen antreiben könnten.

Die Brücke zwischen Biologie und Materialdesign

Die Studie belegt zudem, wie die Dynamik maßgeblich vom Grad der Kettenverflechtung abhängt, wobei die gerichtete Bewegung bei höheren Dichten schneller und ausgeprägter verläuft. Die Forschenden stellten fest, dass einzelne Segmente auf mittleren Zeitskalen eine superdiffusive Bewegung aufweisen und sich somit schneller bewegen, als es die reine Zufallsdiffusion vorhersagen würde. „Diese Arbeit schlägt eine Brücke zwischen Materialwissenschaft und Biologie“, erklärt Jan Smrek. Er führt weiter aus: „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“.

Die Ergebnisse eröffnen innovative Wege für die Entwicklung funktionaler aktiver Materialien und bieten zugleich einen theoretischen Rahmen für die Interpretation von Experimenten zur Chromatindynamik. Zukünftige Untersuchungen könnten beleuchten, wie sich diese Effekte mit weiteren aktiven Prozessen in biologischen Systemen verbinden. Darüber hinaus lassen sich Anwendungen in intelligenten Materialien erforschen, die in der Lage wären, Fracht eigenständig zu transportieren oder Prozesse zur Selbstheilung einzuleiten.

Quelle

Universität Wien (03/2026)