Entropie wordt vaak geassocieerd met wanorde en chaos, maar in de biologie houdt het verband met energie-efficiëntie en is het nauw verbonden met het metabolisme, de reeks chemische reacties die het leven in stand houden.

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de universiteiten van Barcelona en Padua, met deelname van de Universiteit van Göttingen en de universiteiten Complutense en Francisco de Vitoria in Madrid, heeft nu een nieuwe methodologie ontwikkeld voor het meten van de entropieproductie op de schaal van een nanometer.

De nieuwe aanpak stelde de wetenschappers in staat de warmtestroom, bekend als de entropieproductiesnelheid, van afzonderlijke rode bloedcellen te meten. Het onderzoek is gepubliceerd in Science .

Onderzoekers gebruikten een nieuwe manier om de warmtestroom van de actieve metabolische krachten in de rode bloedcellen te meten door de toenemende entropie te kwantificeren door simpelweg de continue en grillige fluctuaties van het rode bloedcelmembraan te observeren.

Om ervoor te zorgen dat deze aanpak werkt, creëerden de onderzoekers ook complexere benaderingen, waarbij kleine deeltjes van micrometergrootte op het membraan werden geplakt die niet alleen konden worden gebruikt om de fluctuaties van het membraan te meten, maar ook om minuscule krachten toe te passen die ontstaan. door de deeltjes eenvoudigweg met licht te belichten.

Dergelijke colloïdale deeltjes – kleine vaste deeltjes gesuspendeerd in een vloeibare fase – kunnen worden gezien als een uitstekende manier om de beweging van het membraan van levende cellen te meten en ook te manipuleren. Voor hun berekeningen met echte rode bloedcellen gebruikten de onderzoekers experimentele benaderingen gebaseerd op directe optische manipulatie van het membraan, maar ook optische detectie en ultrasnelle live-imaging microscopie.

De onderzoekers van de Universiteit van Göttingen hebben bijgedragen door gevoelige en nauwkeurige experimenten uit te voeren. "We hebben een experiment ontwikkeld waarbij fotonen, waarmee we licht bedoelen, werden gebruikt om de cellen zo voorzichtig vast te houden dat de delicate warmtestroom niet werd verstoord door het licht, maar nog steeds sterk genoeg was om de effecten ervan te meten", zegt professor Timo Betz van het Biofysica-instituut in Göttingen.

"Warmte is een symptoom van de gezondheid van cellen, en deze bevinding zou nieuwe manieren kunnen openen om de gezondheid van weefsels te bepalen", legt hoofdonderzoeker professor Felix Ritort van het Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie, Universiteit van Barcelona, ​​uit. Hij voegt eraan toe:"Het karakteriseren van de entropieproductie in levende systemen is cruciaal voor het begrijpen van de efficiëntie van energieconversieprocessen."

Er is grote belangstelling voor het meten van de entropieproductie in fysieke en biologische systemen, omdat deze relevant zijn voor zoveel andere systemen. "Deze doorbraak heeft verstrekkende gevolgen voor ons begrip van de stofwisseling en het energietransport in levende systemen", zegt Betz.

"Bovendien kunnen deze bevindingen nuttig blijken voor toepassingen in de gezondheidszorg en de geneeskunde, of de weg wijzen naar de ontwikkeling van nieuwe slimme materialen die gebruik maken van een gecontroleerde entropieproductiesnelheid om een ​​reactie te creëren op kleine externe stimuli."

De bevindingen worden gepubliceerd in Science .

Meer informatie: I. Di Terlizzi et al, Variantiesomregel voor entropieproductie, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adh1823

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Universiteit van Göttingen