Een druppel voedselkleuring die zich langzaam in een glas water verspreidt, wordt aangedreven door een proces dat bekend staat als diffusie. Hoewel de wiskunde van diffusie al vele jaren bekend is, hoe dit proces werkt in levende organismen is niet zo goed begrepen.

Nutsvoorzieningen, een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie geeft nieuwe inzichten over het diffusieproces in complexe systemen. Het resultaat van een samenwerking tussen natuurkundigen van Penn, de Universiteit van Chili, en Heinrich Heine Universiteit Düsseldorf, dit nieuwe theoretische raamwerk heeft brede implicaties voor actieve oppervlakken, zoals die in biofilms, actieve coatings, en zelfs mechanismen voor het opruimen van pathogenen.

Diffusie wordt beschreven door de wetten van Fick:deeltjes, atomen, of moleculen zullen altijd van een gebied met een hoge naar een lage concentratie gaan. Diffusie is een van de belangrijkste manieren waarop moleculen in het lichaam bewegen. Echter, voor het transport van grote objecten over grote afstanden, standaard diffusie wordt te traag om bij te houden.

"Dat is wanneer je actieve componenten nodig hebt om dingen te vervoeren, " zegt studie co-auteur Arnold Mathijssen. In de biologie, deze actuatoren omvatten cytoskeletmotoren die vrachtblaasjes in cellen verplaatsen, of trilhaartjes die vloeistof uit menselijke longen pompen. Wanneer veel actuatoren zich ophopen op een oppervlak, ze staan ​​bekend als 'actieve tapijten'. Samen, ze kunnen energie in een systeem injecteren om de diffusie efficiënter te maken.

Mathijssen, wiens onderzoeksgroep de fysica van pathogenen bestudeert, raakte voor het eerst geïnteresseerd in dit onderwerp tijdens het bestuderen van biofilms met Francisca Guzmán-Lastra, een expert op het gebied van de fysica van actieve materie, en theoretisch natuurkundige Hartmut Löwen. Biofilms zijn een ander voorbeeld van actieve tapijten, omdat ze hun flagella gebruiken om "stromen" te creëren die vloeistof en voedingsstoffen uit hun omgeving pompen. specifiek, de onderzoekers wilden begrijpen hoe biofilms zichzelf kunnen onderhouden als de toegang tot voedingsstoffen beperkt is. "Ze kunnen hun voedselopname verhogen door stromen te creëren, maar dit kost ook energie. Dus, de vraag was:hoeveel energie steek je erin om er energie uit te krijgen?", zegt Mathijssen.

Maar het bestuderen van actieve tapijten is moeilijk omdat ze niet netjes in lijn zijn met de wetten van Fick, dus moesten de onderzoekers een manier ontwikkelen om diffusie in deze niet-evenwichtssystemen te begrijpen, of degenen die energie hebben toegevoegd. "We dachten dat we deze wetten konden veralgemenen voor een betere verspreiding, als je systemen hebt die de wetten van Fick niet volgen, maar die toch een eenvoudige formule kunnen volgen die breed toepasbaar is op veel van deze actieve systemen, ', zegt Mathijssen.

Nadat we hebben uitgezocht hoe de wiskunde die nodig is om zowel de bacteriële dynamiek als de wetten van Fick te begrijpen, met elkaar in verband kunnen worden gebracht, de onderzoekers ontwikkelden een model vergelijkbaar met de Stokes-Einstein-vergelijking, die de relatie met temperatuur en diffusie beschrijft, en ontdekte dat microscopische fluctuaties de veranderingen konden verklaren die ze zagen in deeltjesdiffusie. Met behulp van hun nieuwe model, de onderzoekers ontdekten ook dat de diffusie die door deze kleine bewegingen wordt gegenereerd ongelooflijk efficiënt is, waardoor bacteriën slechts een kleine hoeveelheid energie hoeven te gebruiken om een ​​grote hoeveelheid voedsel binnen te krijgen.

"We hebben nu een theorie afgeleid die het transport van moleculen in cellen of dichtbij actieve oppervlakken voorspelt. Mijn droom zou zijn dat deze theorieën zouden worden toegepast in verschillende biofysische omgevingen, ", zegt Mathijssen. Zijn nieuwe onderzoekslab bij Penn gaat werken aan vervolgexperimenten om deze nieuwe modellen uit te testen. Ze zijn van plan om actieve diffusie te bestuderen in zowel biologische als geconstrueerde microscopische systemen.

Mathijssen, die ook betrokken is bij een project met betrekking tot de verspreiding van COVID-19 in voedselverwerkende faciliteiten, zegt dat de trilhaartjes in de longen een ander belangrijk voorbeeld zijn van actieve tapijten in de biologie, vooral omdat ze dienen als de eerste verdedigingslinie tegen ziekteverwekkers zoals COVID-19. Hij zegt, "Dat zou nog iets heel belangrijks zijn om te testen, of deze theorie van actieve tapijten kan worden gekoppeld aan de theorie van de klaring van pathogenen in de luchtwegen."