Adrop av matfärg som långsamt sprids i ett glas vatten drivs av en process som kallas diffusion. Medan diffusionens matematik har varit känd i många år, hur denna process fungerar i levande organismer är inte lika väl förstådd.

Nu, en studie publicerad i Naturkommunikation ger ny inblick i diffusionsprocessen i komplexa system. Resultatet av ett samarbete mellan fysiker på Penn, universitetet i Chile, och Heinrich Heine University Düsseldorf, detta nya teoretiska ramverk har breda konsekvenser för aktiva ytor, sådana som finns i biofilmer, aktiva beläggningar, och även mekanismer för patogen clearance.

Diffusion beskrivs av Ficks lagar:Partiklar, atomer, eller molekyler kommer alltid att flytta från ett område med hög till låg koncentration. Diffusion är ett av de viktigaste sätten att molekyler rör sig i kroppen. Dock, för transport av stora föremål över stora avstånd, standarddiffusion blir för långsam för att hänga med.

"Det är då du behöver aktiva komponenter för att transportera saker runt, "säger studieförfattaren Arnold Mathijssen. Inom biologi, dessa ställdon inkluderar cytoskelettmotorer som flyttar lastvesiklar i celler, eller cilia som pumpar ut vätska från mänskliga lungor. När många ställdon samlas på en yta, de är kända som "aktiva mattor". Tillsammans, de kan injicera energi i ett system för att göra diffusion mer effektiv.

Mathijssen, vars forskargrupp studerar patogeners fysik, blev först intresserad av detta ämne när han studerade biofilmer med Francisca Guzmán-Lastra, en expert på fysik av aktiva ämnen, och teoretisk fysiker Hartmut Löwen. Biofilm är ett annat exempel på aktiva mattor eftersom de använder sina flageller för att skapa "flöden" som pumpar vätska och näringsämnen från sin miljö. Specifikt, forskarna var intresserade av att förstå hur biofilmer kan upprätthålla sig själva när tillgången till näringsämnen är begränsad. "De kan öka sin matupptagning genom att skapa flöden, men detta kostar också energi. Så, frågan var:Hur mycket energi lägger du på för att få ut energi? ”säger Mathijssen.

Men att studera aktiva mattor är svårt eftersom de inte stämmer väl överens med Ficks lagar, så forskarna behövde utveckla ett sätt att förstå diffusion i dessa icke-jämviktssystem, eller sådana som har lagt till energi. "Vi trodde att vi kunde generalisera dessa lagar för ökad spridning, när du har system som inte följer Ficks lagar men ändå kan följa en enkel formel som är allmänt tillämplig på många av dessa aktiva system, "Säger Mathijssen.

Efter att ha kommit fram till hur man ansluter matematiken som behövs för att förstå både bakteriedynamik och Ficks lagar, forskarna utvecklade en modell som liknar Stokes -Einstein -ekvationen, som beskriver sambandet med temperatur och diffusion, och fann att mikroskopiska fluktuationer kunde förklara de förändringar de såg i partikeldiffusion. Med sin nya modell, forskarna fann också att diffusionen som genereras av dessa små rörelser är otroligt effektiv, tillåter bakterier att använda bara en liten mängd energi för att få en stor mängd mat.

"Vi har nu härlett en teori som förutsäger transport av molekyler inuti celler eller nära aktiva ytor. Min dröm skulle vara att dessa teorier skulle tillämpas i olika biofysiska miljöer, "säger Mathijssen. Hans nya forskningslabb på Penn kommer att börja arbeta med uppföljningsexperiment för att testa dessa nya modeller. De planerar att studera aktiv diffusion både i biologiska och konstruerade mikroskopiska system.

Mathijssen, som också är involverad i ett projekt relaterat till spridningen av COVID-19 i livsmedelsförädlingsanläggningar, säger att cilia i lungorna är ett annat viktigt exempel på aktiva mattor i biologin, särskilt eftersom de fungerar som den första försvarslinjen mot patogener som COVID-19. Han säger, "Det skulle vara en annan mycket viktig sak att testa, om denna teori om aktiva mattor kan kopplas till teorin om patogen clearance i luftvägarna. "