19 آگوست 2022 -توسط اندرو پل لورن، موسسه فناوری ماساچوست-عتبار: دامنه عمومی Pixabay/CC0
چگونه DNA مانند یک پل است؟ این سوال یک معما یا بازی منطقی نیست، دغدغه پایان نامه دکتری یوهانس کالیاور است.
به عنوان دانشجوی دانشگاه TU Wien در اتریش، کالیاور با یک وظیفه عظیم روبرو بود: ترکیب رویکردهای مهندسی عمران و فیزیک نظری برای درک بهتر نیروهایی که بر مبنای DNA عمل می کنند.
کالیاور، که اکنون یک دکترای ارشد در مرکز پایداری بتن MIT است، می‌گوید که DNA را طوری مدل‌سازی کرده است که گویی یک پرتو است و از اصول دینامیک مولکولی برای درک ویژگی‌های ساختاری آن استفاده می‌کند.
“مکانیک اجسام بسیار کوچک، مانند مارپیچ های DNA، و اجسام بزرگ، مانند پل ها، کاملا مشابه هستند. هر یک را می توان بر اساس مکانیک نیوتنی درک کرد. نیروها و گشتاورها بر روی هر سیستم عمل می کنند و هر یک را در معرض تغییر شکل هایی مانند پیچش، کشش، کالیاور می گوید و تاب برداشتن.
همانطور که در مقاله ای در سال 2020 از TU Wien اشاره شد، کالیاور در هنگام بررسی DNA در سطح اتمی رفتاری غیرقابل درک مشاهده کرد. بر خلاف فنر معمولی که با کشش کمتر پیچ خورده می شود، مشاهده شد که DNA با افزایش طول آن خراش بیشتری پیدا می کند.
در موقعیت هایی مانند این که به نظر می رسد منطق متعارف در حال شکستن است، کالیاور بر شهودی که به عنوان یک مهندس به دست آورده است تکیه می کند.
“برای درک این رفتار عجیب در DNA، من به یک رویکرد اساسی روی آوردم: من بررسی کردم که چه چیزی در مورد DNA و ساختارهای ماکروسکوپی یکسان است و چه چیزی متفاوت است. مهندسان عمران از روش ها و محاسباتی استفاده می کنند که در طول قرن ها توسعه یافته اند و بسیار شبیه به کار من که برای پایان‌نامه‌ام استفاده کردم.
همانطور که کالیاور ادامه می دهد، “مهندسی سازه یک رشته فوق العاده همه کاره است. اگر آن را درک کنید، می توانید اجرام اتمی مانند رشته های DNA و موارد بسیار بزرگ مانند کهکشان ها را درک کنید. من به عنوان یک محقق، برای کمک به ارائه دیدگاه های جدید در زمینه هایی مانند کهکشان ها، بر آن تکیه می کنم. سایر مهندسین عمران می توانند و باید همین کار را انجام دهند.”
کالیاور، که در شهر کوچکی در اتریش بزرگ شد، زندگی خود را صرف به کارگیری رویکردهای غیرمتعارفی مانند این در سراسر رشته ها کرده است. “من در یک خانواده ریاضی دان بزرگ شدم. در حالی که هیچ یک از ما مهندس نبودیم، والدینم توجه به نظم را در من و دو خواهر بزرگترم القا کردند.”
پس از دوران راهنمایی، کالیاور در یک مدرسه فنی برای مهندسی عمران تحصیل کرد و در آنجا شیفتگی به مکانیک را کشف کرد. او همچنین در یک سایت ساخت و ساز کار کرد تا تجربه عملی به دست آورد و مهندسی را در یک زمینه واقعی مشاهده کند.
کالیور از روی علاقه به شدت مطالعه می کرد و بیش از 100 ساعت در هفته کار می کرد تا درس های دانشگاه را بهتر درک کند. من از معلمان و استادان سؤالات زیادی پرسیدم و اغلب ایده‌های آنها را به چالش می‌کشیدم. بیش از هر چیز دیگری، نیاز داشتم که چیزها را برای خودم درک کنم. انجام خوب امتحانات یک نگرانی ثانویه بود.»
او در دانشگاه موضوعاتی از تست تصادف اتومبیل گرفته تا لولاهای بتنی و زیست شناسی را مطالعه کرد. به عنوان یکی از اعضای جدید CSHub، او در حال مطالعه چگونگی مدل‌سازی سیل‌ها با مدل مبتنی بر فیزیک آماری است که توسط نظریه تابعی چگالی شبکه ارائه شده است.در انجام این کار، او بر روی کار محققان گذشته و حال CSHub مانند الی وارتزیوتیس و کاترینا بوکین استوار است.
او می گوید: “برای من مهم است که این تحقیق تاثیر واقعی در جهان داشته باشد. امیدوارم رویکرد من به مهندسی بتواند به محققان و ذینفعان کمک کند تا چگونگی انتشار سیل در بافت های شهری را درک کنند تا بتوانیم شهرها را مقاوم تر کنیم.”
