Ny forskning giver indsigt i diffusionsprocessen i levende systemer

Adrop af madfarve, der langsomt spredes i et glas vand, drives af en proces kendt som diffusion. Mens diffusionens matematik har været kendt i mange år, hvordan denne proces fungerer i levende organismer, er ikke lige så godt forstået.

Nu, en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation giver ny indsigt i diffusionsprocessen i komplekse systemer. Resultatet af et samarbejde mellem fysikere på Penn, universitetet i Chile, og Heinrich Heine Universitet Düsseldorf, denne nye teoretiske ramme har brede konsekvenser for aktive overflader, som dem, der findes i biofilm, aktive belægninger, og endda mekanismer til patogen clearance.

Diffusion er beskrevet af Ficks love:Partikler, atomer, eller molekyler vil altid bevæge sig fra et område med høj til lav koncentration. Diffusion er en af ​​de vigtigste måder, molekyler bevæger sig i kroppen på. Imidlertid, til transport af store genstande over store afstande, standard diffusion bliver for langsom til at følge med.

"Det er, når du har brug for aktive komponenter til at hjælpe med at transportere ting rundt, "siger studieforfatter Arnold Mathijssen. I biologi, disse aktuatorer inkluderer cytoskeletmotorer, der flytter lastvesikler i celler, eller cilia, der pumper væske ud af menneskelige lunger. Når mange aktuatorer ophobes på en overflade, de er kendt som "aktive tæpper." Sammen, de kan injicere energi i et system for at gøre diffusion mere effektiv.

Mathijssen, hvis forskningsgruppe studerer patogeners fysik, først blev interesseret i dette emne, mens han studerede biofilm med Francisca Guzmán-Lastra, en ekspert i fysik af aktivt stof, og teoretisk fysiker Hartmut Löwen. Biofilm er et andet eksempel på aktive tæpper, da de bruger deres flagella til at skabe "strømme", der pumper væske og næringsstoffer fra deres miljø. Specifikt, forskerne var interesserede i at forstå, hvordan biofilm er i stand til at opretholde sig selv, når adgangen til næringsstoffer er begrænset. "De kan øge deres madoptagelse ved at skabe strømme, men det koster også energi. Så, spørgsmålet var:Hvor meget energi lægger du på for at få energi ud? «siger Mathijssen.

Men at studere aktive tæpper er svært, fordi de ikke er i orden med Ficks love, så forskerne havde brug for at udvikle en måde at forstå diffusion i disse ikke-ligevægtssystemer, eller dem, der har tilføjet energi. "Vi troede, at vi kunne generalisere disse love for øget spredning, når du har systemer, der ikke følger Ficks love, men stadig kan følge en simpel formel, der er bredt anvendelig for mange af disse aktive systemer, ”Siger Mathijssen.

Efter at have fundet ud af, hvordan man forbinder den matematik, der var nødvendig for at forstå både bakteriedynamik og Ficks love, forskerne udviklede en model, der ligner Stokes -Einstein -ligningen, som beskriver forholdet til temperatur og diffusion, og fandt ud af, at mikroskopiske udsving kunne forklare de ændringer, de så i partikeldiffusion. Ved hjælp af deres nye model, forskerne fandt også ud af, at diffusionen fra disse små bevægelser er utrolig effektiv, tillader bakterier at bruge kun en lille mængde energi til at få en stor mængde mad.

"Vi har nu udledt en teori, der forudsiger transport af molekyler inde i celler eller tæt på aktive overflader. Min drøm ville være, at disse teorier ville blive anvendt i forskellige biofysiske omgivelser, "siger Mathijssen. Hans nye forskningslaboratorium i Penn vil begynde at arbejde med opfølgende eksperimenter for at teste disse nye modeller. De planlægger at studere aktiv diffusion både i biologiske og konstruerede mikroskopiske systemer.

Mathijssen, som også er involveret i et projekt relateret til spredning af COVID-19 i fødevareforarbejdningsfaciliteter, siger, at cilia i lungerne er et andet vigtigt eksempel på aktive tæpper i biologi, især da de fungerer som den første forsvarslinje mod patogener som COVID-19. Han siger, "Det ville være en anden meget vigtig ting at teste, om denne teori om aktive tæpper kan være forbundet med teorien om patogen clearance i luftvejene. "