Temperaturberoende av HNS-diffusion i levande och döda E. coli. (a),(b) MSD av HNS i (a) levande och (b) döda E. coli vid olika temperaturer. Streckade linjer är anpassade kurvor med MSD=4Dτ α . Felstaplar representerar standardfel av medel (SEM). (c) Beroende av den generaliserade diffusionskoefficienten för HNS-proteiner i levande (gröna cirklar) och döda (röda rutor) E. coli. Felstaplar står för monteringsfel. Röda prickade linjer är passningar med linjära ekvationer, medan svarta streckade linjer är passningar med Arrhenius-ekvationen. Kredit:Physical Review Letters (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.129.018101
En fysiker vid University of Arkansas har försvarat giltigheten av Stokes-Einstein-ekvationen, en av Albert Einsteins mest kända ekvationer, när det gäller biologi. Forskningen kommer att hjälpa forskare att bättre förstå antibiotikaresistens och de mekaniska egenskaperna hos cancerceller.
Yong Wang, biträdande professor vid Fulbright College of Arts and Sciences, arbetade med proteiner i levande bakterier, och testade den 117 år gamla ekvationen, som gav bevis för atomernas och molekylernas verklighet. Han fann att den berömda ekvationen förblev giltig för att förklara hur molekyler rör sig inuti bakterier.
"Bakteriell cytoplasma är inte en enkel soppa," sa Wang. "Vår studie visade att det kan vara mer som spagetti med tomatsås och köttbullar."
Cytoplasma är det trånga och komplexa materialet inuti bakterier. Den har höga koncentrationer av stora biologiska molekyler, inklusive miljontals proteiner, kolhydrater och salter, och alla typer av polymerer och filament, såsom DNA och RNA.
Wang fann att även om Einsteins ekvation verkade vara avstängd för proteiners rörelse inom levande bakterier, förblev den giltig genom att ta hänsyn till de intrasslade polymererna och filamenten inuti bakterier.
Den så kallade Einstein-relationen – även kallad Stokes-Einstein-ekvationen – är en av Einsteins stora forskningsprestationer under hans "mirakelår", 1905. För att förklara partiklars rörlighet genom vätska har ekvationen karakteriserats som en stokastisk modell för Brownsk rörelse, vilket betyder att partiklar rör sig slumpmässigt på grund av kollisioner med omgivande molekyler. Det viktigaste är att teorin gav tidiga empiriska bevis för verkligheten av atomer och molekyler.
Men under de senaste två decennierna har forskare ifrågasatt teorins giltighet när den gäller vad som finns inuti levande celler och bakterier. Wangs studie lägger till denna kunskapsmassa och hjälper till att lösa den aktuella kontroversen.
Ännu viktigare, det ger en grund för att bedöma de mekaniska egenskaperna hos celler och bakterier baserat på Einstein-relationen. Detta bör hjälpa forskare att förstå antibiotikaresistens hos vissa mikroorganismer och de mekaniska egenskaperna hos cancerceller, som skiljer sig från de mekaniska egenskaperna hos normala, friska celler.
Om denna studie, som publicerades i Physical Review Letters , Wang arbetade med Lin Oliver, professor och ordförande för institutionen för fysik, och Asmaa Sadoon, doktorand i mikroelektronik-fotonikprogrammet. + Utforska vidare
