Har celler eksotiske vibrationsegenskaber?

En lidt forstået biologisk egenskab, der ser ud til at tillade cellekomponenter at lagre energi på deres yderkanter, er muligvis nøglen til at udvikle en ny klasse materialer og enheder til indsamling, lagre og administrere energi til en række forskellige applikationer, et team af forskere ved New Jersey Institute of Technology (NJIT) og Yeshiva University har foreslået.

I et papir udgivet i sidste uge i Naturkommunikation , "Dynamiske Majorana kanttilstande i en bred klasse af topologiske mekaniske systemer, " forskerne rapporterer opdagelsen af ​​en stor klasse af materialer med sådanne egenskaber.

"Bemærkelsesværdigt, vi mener, at disse egenskaber kan være til stede i mange materialer sammensat af dimerer, en kemisk struktur, hvor to ens masser er forbundet med hinanden gennem en stiv, næsten ikke -strækbart bånd. Dimerer udgør byggestenene i mange cellulære komponenter, og det ser derfor ud til, at lagring af energi på denne måde er en strategi, som en række forskellige celler bruger dagligt i mange levende organismer, "bemærker Camelia Prodan, lektor i fysik ved NJIT og forfatter til papiret.

"Denne forskning kan bruges til at forklare celleadfærd, der endnu ikke er fuldt ud forstået, «tilføjer hun.

Papiret stammer fra forskning finansieret af et tilskud på 1 million dollar fra W.M. Keck Foundation tildelte sidste år Prodan og hendes samarbejdspartner, Emil Prodan, professor i fysik ved Yeshiva University, at undersøge rollen som topologiske fononkanter i funktionen af ​​mikrotubuli - skeletmaterialet i eukaryote celler. Phonon kanter er kvante af lyd eller vibrationsenergi begrænset til kanten eller overfladen af ​​et materiale.

Prodans er især interesseret i, hvordan mikrotubuli lagrer energi ved deres kant, som ikke formeres i deres cylinderformede kroppe. Majorana-kanttilstande svarer til en type subatomare partikel - Majorana-fermioner - der forekommer i nogle typer superledere. De er de energiske vibrationer, der optræder på kanten af ​​et materiale, der ikke kan ødelægges af miljøet eller af materialets brud.

De undersøger potentialet til at konstruere nye materialer med nye fysiske egenskaber baseret på topologiske fononkanttilstande.

"Ultimativt, vi vil gerne lave materialer, der efterligner denne ejendom - evnen til at begrænse energien til en kant - for at øge modstanden mod jordskælv i bygninger eller beskyttelse af skudsikre veste, for eksempel, "siger hun." Vi tror også, at denne ejendom kan være nøglen til en ny generation af kræftbekæmpende midler, på grund af den rolle, topologiske fononer kan spille i celledeling. Mikrotubuli skal falde fra hinanden, før en celle kan dele sig. Kemoterapi virker i øjeblikket ved at forhindre celler i at dele sig, men tilbagevendende kræftformer finder en måde at svække disse forsvar på. "

Arbejder med nanoteknologieksperter på NJIT, Reginald Farrow, forskningsprofessor i fysik, og Alokik Kanwal, assisterende forskningsprofessor, de håber at kunne levere den første eksperimentelle verifikation af den centrale rolle, som disse topologiske fononer spiller i mange grundlæggende cellulære processer, herunder celledeling og bevægelse.

Ud over, baseret på resultaterne af deres undersøgelse af mikrotubuli og topologiske fononkanttilstande, forskergruppen vil søge at forudsige og fremstille en ny klasse af materialer kaldet topologiske fononiske krystaller, med applikationer lige fra energieffektive solceller, til lyddæmpning og forstærkning, til isolering.