分子力：DNA的驚人拉伸行為

當較大的力（例如在橋梁施工中）作用在重梁上時，梁會略微變形。計算力，內應力和變形之間的關係是土木工程的標準任務之一。但是，當您將這些考慮因素應用於微小物體（例如，應用於單個DNA雙螺旋結構）時會發生什麼？

DNA分子的實驗表明，它們的機械性能與宏觀物體的機械性能完全不同-這對生物學和醫學具有重要意義。維也納工業大學的科學家現已成功地結合了土木工程學和物理學的思想，成功地詳細解釋了這些特性。

在分子水平上的意外行為

乍一看，您可能會認為DNA雙螺旋是一個很小的小彈簧，您可以像普通彈簧一樣簡單地拉伸和壓縮。但這並不是那麼簡單：「如果拉伸一段DNA，您實際上會希望減少轉數。但是在某些情況下，情況恰恰相反：「當螺旋線變長時，它有時會扭曲得更多， 」來自維也納結構力學研究所的土木工程師約約翰內斯·卡爾利厄說。「除此之外，DNA分子比我們通常在土木工程中處理的材料更具延展性：在拉伸應力下，DNA分子的壽命可以延長70％ 」。

DNA的這些奇怪的機械性質對生物學和醫學非常重要：「當從活細胞中的DNA分子中讀取遺傳信息時，幾何形狀的細節可以確定是否發生讀取錯誤，在最壞的情況下，可以甚至會致癌。」「直到現在，分子生物學仍必須以經驗方法來解釋力與DNA幾何之間的關係。」

卡爾利厄解釋說：「我們使用分子動力學方法在計算機上以原子級複製DNA分子。」 「您可以確定DNA螺旋如何被壓縮，拉伸或扭曲-然後計算出現的力和原子的最終位置。」 這樣的計算非常複雜，只有在大型超級計算機的幫助下才有可能——卡爾利厄為此目的使用了維也納科學集群（VSC）。

這樣，可以解釋奇怪的實驗發現-例如違反直覺的結果，即在某些情況下，DNA拉伸時甚至會扭曲得更多。「這在大尺度上很難想像，但在原子水平上這一切都是有意義的。」

有趣的中間世界

在理論物理的原子模型中，原子間的作用力和距離可以確定。利用這個團隊基於土木工程原理制定的某些規則，可以確定描述DNA鏈整體所需的相關力量——類似於土木工程中使用一些重要橫截面特性來描述梁的靜力學。

「我們在一個有趣的中間世界工作，在微觀和宏觀之間，」卡爾利厄說這項研究項目的特殊之處在於，你確實需要兩種觀點，你必須將它們結合起來。」

這種明顯不同尺寸尺度的組合在材料與結構力學研究所扮演著重要角色。畢竟，我們每天在大範圍內感受到的材料性質總是由微觀層面的行為決定的。目前的工作，現在已經發表在固體力學與物理雜誌「的目的是一方面展示如何以科學精確的方式將大的和小的結合起來，另一方面也有助於更好地理解DNA的行為——一直到對遺傳性疾病的解釋。