Wie sich Drähte optimal zusammenknüllen lassen

Effektive Packstrategie: DNA-Stränge sind meterlang und passen doch in den winzigen Kern unserer Körperzellen – denn sie sind unglaublich dicht zusammengeknüllt. Das Geheimnis hinter solchen Verdichtungsprozessen haben Forscher nun am Beispiel von Drähten genauer untersucht. Ihre Ergebnisse zeigen, welche Eigenschaften eine möglichst dichte Packung von quasi-eindimensionalen Objekten ermöglichen. Interessant könnte das sowohl für Anwendungen in der Industrie als auch in der Medizin sein.

Wie muss man Gegenstände schichten, damit der Raum optimal genutzt wird? Vor 400 Jahren dachte darüber bereits der Mathematiker Johannes Kepler nach und formulierte seine Hypothese über die effektivste Methode, Kanonenkugeln auf einem Schlachtschiff zu stapeln. Seitdem haben Wissenschaftler immer wieder über die maximal erreichbare Verdichtung von Objekten nachgegrübelt.

Wie so oft macht die Natur in vielen Fällen vor, wie es geht. So befindet sich zum Beispiel unser gesamtes Erbgut in Form eines meterlangen DNA-Stranges dicht gepackt im winzigen Kern jeder Körperzelle. Wie effektiv sich solche quasi-eindimensionalen Objekte zufällig zusammenfalten, haben Physiker um Reza Shaebani von der Universität des Saarlandes nun genauer untersucht – anstelle von kettenförmigen DNA-Molekülen experimentierten sie dabei mit Drähten.

Knüllexperimente mit Draht

Für ihre Versuche verstauten die Forscher unterschiedlich dicke Plastikdrähte mit variabler Elastizität und Reibung in einer runden Kapsel. Um zu erfassen, wie stark sich die Drähte beim Verpacken zusammenknüllen, wurde die jeweils im Endzustand erreichte Packungsdichte gemessen.

Gleichzeitig entwickelten Shaebani und seine Kollegen ein theoretisches Modell, mit dessen Hilfe der Verdichtungsprozess beschrieben und im Gegensatz zu Vorgängermodellen mit vergleichsweise geringem Aufwand berechnet werden kann. Das Modell berücksichtigt die Dicke des Drahtes, seine Biegsamkeit und die Fähigkeit der Stränge, gut aneinander vorbeizugleiten.

Dicker Draht – dichtere Packung

Die Ergebnisse der Arbeiten waren zum Teil erwartbar, zum Teil aber auch überraschend: „Wie erwartet, bestimmen die Eigenschaften des Drahtes die Effektivität des Verdichtungsprozesses“, berichtet Shaebani. Erstaunlich sei allerdings, dass dünnere Drähte am Ende weniger dicht gepackt waren als dicke.

„Um die gleiche Dichte zu erreichen, müsste ein dünner Draht länger sein, doch bei zunehmender Länge stehen ihm immer weniger Hohlräume zur Verfügung – das ist ein wechselwirkendes System“, erklärt der Physiker. Je nach Drahteigenschaften ändert sich auch die Anordnung der Drähte: Eine unordentliche, also weniger dichte Knäuelstruktur entsteht dann, wenn der Draht wenig plastisch ist und wenn die Reibung zwischen den Strängen hoch ist.

Interessant für Medizin und Industrie

Die Wissenschaftler betonen, dass ihre Studie neue Einblicke in die Mechanismen hinter dem Verknüllen von Drähten mit plastischen und elastischen Eigenschaften liefert, die auch für andere Anwendungsbereiche interessant sind. So können die untersuchten Drähte nicht nur als Modellsysteme für DNA-Moleküle dienen, sondern auch für andere Biopolymere.

Dies könnte beispielsweise zu innovativen Behandlungsmethoden von Arterienerweiterungen führen, glaubt das Team. Potenzielle Bedeutung haben die Ergebnisse zudem für industrielle Prozesse, bei denen man oft am umgekehrten Prozess, dem Entwirren von Drähten, interessiert ist. (Nature Communications, 2017; 10.1038/ncomms15568)

(Universität des Saarlandes, 20.06.2017 – DAL)