Paano Nagdadala ang Mga Cell ng Molecule na may “Aktibong Karpet”?

Ang isang aktibong karpet na gawa sa mga molekular motor (itaas) ay gumagawa ng mga malalakas na daloy na nagdaragdag ng pagsasabog ng mga kalapit na mga maliit na butil, na na-modelo ng mga nagresultang mga patlang ng daloy (ilalim). Kredito: Arnold Mathijssen

Ang bagong pananaliksik ay nagbibigay ng pananaw sa proseso ng pagsasabog sa mga sistema ng pamumuhay, mula sa mga bagong aktibong patong hanggang sa pag-unawa kung paano nalilimas ang mga pathogens mula sa baga.

Ang isang patak ng pangkulay ng pagkain na dahan-dahang kumakalat sa isang basong tubig ay hinihimok ng isang proseso na kilala bilang pagsasabog. Habang ang diffusion matematika ay kilala sa loob ng maraming taon, hindi ito lubos na nauunawaan kung paano gumagana ang prosesong ito sa mga nabubuhay na organismo.

Ngayon, isang nai-publish na pag-aaral Komunikasyon sa Kalikasan nagbibigay ng bagong impormasyon tungkol sa proseso ng paglaganap sa mga kumplikadong sistema. Ang bagong balangkas ng teoretikal na ito, ang resulta ng isang pakikipagtulungan sa pagitan ng Penn, University of Chile at mga physicist sa Heinrich Heine University Düsseldorf, ay may malawak na implikasyon para sa mga aktibong ibabaw tulad ng mga matatagpuan sa biofilms, mga aktibong patong, at kahit na mga mekanismo ng pagtanggal ng pathogen.

Ang diffusion ay tinukoy alinsunod sa mga batas ni Fick: Ang mga particle, atom o molekula ay palaging lumilipat mula sa isang rehiyon ng mataas na konsentrasyon patungo sa isang mababang konsentrasyon. Ang diffusion ay isa sa pinakamahalagang paraan ng paggalaw ng mga molekula sa paligid ng katawan. Gayunpaman, para sa pagdadala ng malalaking bagay sa malalayong distansya, ang karaniwang pagsasabog ay masyadong mabagal upang makasabay.

“Iyon ay kung kailangan mo ng mga aktibong sangkap upang matulungan ang paglipat ng mga bagay,” sabi ni Arnold Mathijssen, kapwa may-akda ng pag-aaral. Sa biology, ang mga actuator na ito ay nagsasama ng mga cytoskeletal motor na naglilipat ng mga cargo sac sa mga cell, o cilia na nagbobomba ng likido mula sa baga ng tao. Kapag maraming mga actuator na naipon sa isang ibabaw, ito ay kilala bilang “mga aktibong karpet”. Sama-sama, maaari silang mag-iniksyon ng enerhiya sa isang system upang makatulong na gawing mas mahusay ang pagsasabog.

Ang pangkat ng pagsasaliksik ay nagtatrabaho sa pisika ng mga pathogens, na sinadya na maging interesado sa paksa kapag nag-aaral ng biofilms kasama ang aktibong pisisista ng bagay na si Francisca Guzmán-Lastra at pisikal na pisiko na si Hartmut Löwen. Ang biofilms ay isa pang halimbawa ng mga aktibong karpet habang ginagamit nila ang kanilang mga latigo upang lumikha ng “mga daloy” na nagpapahid ng mga likido at nutrisyon mula sa kanilang kapaligiran. Sa partikular, ang mga mananaliksik ay interesado sa pag-unawa kung paano mapapanatili ng biofilms ang kanilang sarili kung limitado ang pag-access sa mga nutrisyon. “Maaari nilang dagdagan ang kanilang paggamit ng pagkain sa pamamagitan ng paglikha ng mga daloy, ngunit nagkakahalaga rin ito ng enerhiya. Kaya ang tanong ay: Gaano karaming enerhiya ang gugugol mo upang makuha ang enerhiya?” Sinabi ni Mathijssen.

Ngunit ang pagtatrabaho sa mga aktibong karpet ay mahirap sapagkat hindi nila ito ganap na sumusunod sa mga batas ni Fick, kaya’t kinailangan ng mga mananaliksik na bumuo ng isang paraan upang maunawaan ang pagsasabog sa mga out-of-equilibrium system na ito o mga system na nagdaragdag ng enerhiya. “Naisip namin na kapag mayroon kang mga system na hindi sumusunod sa mga batas ni Fick ngunit maaari pa ring sundin ang isang simpleng pormula na malawak na nalalapat sa karamihan sa mga aktibong sistemang ito, maaari nating gawing pangkalahatan ang mga batas na ito para sa pinabuting pagkalat,” sabi niya.

Matapos malaman kung paano ikonekta ang kinakailangang matematika upang maunawaan ang parehong mga dynamics ng bakterya at mga batas ni Fick, ang mga mananaliksik ay gumawa ng isang modelo na katulad ng equation ng Stokes-Einstein, na naglalarawan ng ugnayan sa temperatura at pagsasabog, at natagpuan na ang mga mikroskopiko na pagbabagu-bago ay maaaring ipaliwanag ang mga pagbabagong ito sa maliit na butil pagsasabog. Gamit ang kanilang bagong modelo, nalaman ng mga mananaliksik na ang pagsasabog na ginawa ng maliliit na paggalaw na ito ay hindi kapani-paniwalang mahusay, na pinapayagan ang bakterya na gumamit lamang ng maliit na halaga ng enerhiya upang makuha ang maraming pagkain.

Bumuo kami ngayon ng isang teorya na hinuhulaan ang pagdadala ng mga molekula sa loob ng mga cell o malapit sa mga aktibong ibabaw. Ang pangarap ko ay mailapat ang mga teoryang ito sa iba’t ibang mga setting ng biophysical, “sabi ni Mathijssen. Ang bagong lab sa pananaliksik sa Penn ay magsisimulang magtrabaho sa mga follow-up na eksperimento upang subukan ang mga bagong modelo. Plano nilang pag-aralan ang aktibong pagsasabog sa parehong biological at engineered microscopic system.

Ang Mathijssen ay kasangkot din sa isang proyekto sa pagkalat. COVID-19 Sa mga pasilidad sa pagproseso ng pagkain, ang cilia sa baga ay isa pang pangunahing halimbawa ng mga aktibong carpet sa biology, lalo na’t nagsisilbing unang linya ng depensa laban sa mga pathogens tulad ng COVID-19. “Ang isa pang mahalagang bagay ay ang pagsubok kung ang aktibong teorya ng karpet na ito ay maaaring maiugnay sa teorya ng pathogen clearance sa mga daanan ng hangin,” sabi niya.

Sanggunian: Francisca Guzmán-Lastra, Hartmut Löwen at Arnold JTM Mathijssen, Marso 26, 2021, “Ang mga aktibong carpet ay nagtutulak sa labas ng balanse na pagsasabog at pinahusay na pagdaloy ng mga molekula” Komunikasyon sa Kalikasan.
DOI: 10.1038 / s41467-021-22029-y

Si Arnold Mathijssen ay isang katulong na propesor ng Physics at Astronomy sa Faculty of Arts and Science sa University of Pennsylvania.

Ang pagsasaliksik na ito ay suportado ng Kagawaran ng Agrikultura ng Estados Unidos (bigyan ng USDA-NIFA AFRI 2020-67017-30776 at 2020-67015-32330) at ang Human Frontier Science Program Fellowship LT001670 / 2017 at ang International Research Travel Award mula sa American Physical Society .

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang lumalaking problema ng “malalim na heograpiya”

Ang maaaring mukhang isang imahe ng Tacoma ay talagang isang simulate na nilikha sa pamamagitan ng paglilipat ng mga biswal na imahe ng Beijing...

Bagong Milky Way Exterior Destroyers Bagong Sky Map ay Inilabas – Madilim na Mahalagang Mga Konsepto ay Maaaring Magbigay ng Bagong Eksperimento

Ang mga astronomo ay naglabas ng isang bagong celestial map ng Milky Way galaxy na pinakamalapit sa aming kalawakan. Kredito: NASA / JPL-Caltech...

Susunod na Generation Stable Pop-Up na Istraktura na inspirasyon ni Origami

Ni Harvard John A. Paulson School of Engineering at Applied Science Abril 22, 2021 Ang hindi masusunog na kanlungan na ito ay hindi natatakpan ng makapal...

Pinalitan ng DNA ang Y Chromosome na Nag-aambag ng Maikling Buhay na Buhay sa Mga Lipad ng Lalaki

Pagpapayaman ng Heterochromatin sa lahat ng mga chromosome. Immunofluorescence stain ng H3K9me3 sa male mitotic chromosome. Bar scale ay 50μm. Kredito:...

Pinapayagan ng mga polimer na kumakain ng polimer ang “biodegradable” na mga plastik na tunay na masusunog

Ang ginagamot na plastik (kaliwa) ay naghiwalay pagkatapos ng tatlong araw lamang sa karaniwang pag-aabono (kanan) at ganap na makalipas ang dalawang linggo. ...

Newsletter

Subscribe to stay updated.