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Entropic barrier of topologically immobilized DNA in hydrogels

高分子 聚合物 能源景观 构象熵 化学物理 化学 熵力 熵(时间箭头) 高分子拥挤 分子动力学 亚稳态 热涨落 自愈水凝胶 统计物理学 分子 物理 计算化学 热力学 有机化学 生物化学
作者
Kuo Chen,Murugappan Muthukumar
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:118 (28) 被引量:10
标识
DOI:10.1073/pnas.2106380118
摘要

The single most intrinsic property of nonrigid polymer chains is their ability to adopt enormous numbers of chain conformations, resulting in huge conformational entropy. When such macromolecules move in media with restrictive spatial constraints, their trajectories are subjected to reductions in their conformational entropy. The corresponding free energy landscapes are interrupted by entropic barriers separating consecutive spatial domains which function as entropic traps where macromolecules can adopt their conformations more favorably. Movement of macromolecules by negotiating a sequence of entropic barriers is a common paradigm for polymer dynamics in restrictive media. However, if a single chain is simultaneously trapped by many entropic traps, it has recently been suggested that the macromolecule does not undergo diffusion and is localized into a topologically frustrated dynamical state, in apparent violation of Einstein's theorem. Using fluorescently labeled λ-DNA as the guest macromolecule embedded inside a similarly charged hydrogel with more than 95% water content, we present direct evidence for this new state of polymer dynamics at intermediate confinements. Furthermore, using a combination of theory and experiments, we measure the entropic barrier for a single macromolecule as several tens of thermal energy, which is responsible for the extraordinarily long extreme metastability. The combined theory-experiment protocol presented here is a determination of single-molecule entropic barriers in polymer dynamics. Furthermore, this method offers a convenient general procedure to quantify the underlying free energy landscapes behind the ubiquitous phenomenon of movement of single charged macromolecules in crowded environments.
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