Erin McCarthy '23, fysik summa cum laude, är en sällsynthet bland unga vetenskapsmän. Som grundutbildad forskare vid Syracuse Universitys College of Arts &Sciences Department of Physics vägledde hon en studie som publicerades i mars 2024 i Physical Review Letters . Det är den mest citerade tidskriften för fysikbokstäver och den åttonde mest citerade tidskriften inom vetenskap totalt sett.

McCarthy och postdoktorala medarbetare Raj Kumar Manna och Ojan Damavandi utvecklade en modell som identifierade ett oväntat kollektivt beteende bland beräkningspartiklar med implikationer för framtida grundläggande medicinsk forskning och bioteknik.

"Det är väldigt svårt att få in ett papper i Physical Review Letters ," sade M. Lisa Manning, medförfattare, och William R. Kenan, Jr. professor i fysik samt grundare av BioInspired Institute vid Syracuse University. "Dina vetenskapliga kamrater måste bedöma det som exceptionellt."

McCarthy, en infödd New Jersey, valde Syracuse på grund av dess "enorma energi", sa hon. "Den utbildningsmässiga och forskningsmässiga sidan av saker och ting var fantastisk. Jag planerade att bli en fysikinriktning som var förberedd. Jag älskade fysik och biologi, och jag ville vara involverad i sjukvård och medicin. Och jag hade turen att jag träffade Dr Manning som förstaårsstudent, och hon introducerade mig för beräkningsbiofysik. Jag började med forskning under mitt förstaårsår, vilket är extremt ovanligt."

"Erin lärde sig kodning från grunden och gjorde sedan timmar och timmar av simuleringar, vilket krävde mycket uthållighet," sa Manning. "Det är bara ett fantastiskt bevis på hennes arbetsmoral och briljans att denna tidning dök upp i en så prestigefylld tidskrift."

Forskargruppen använde beräkningsfysikmodellering för att ta reda på de underliggande mekanismerna som gör att partiklar sorterar spontant i olika grupper.

Att lära sig hur partiklar beter sig i fysikmodeller kan ge insikt i hur levande biologiska partiklar – celler, proteiner och enzymer – blandar om sig själva under utveckling.

I de tidiga stadierna av ett embryo, till exempel, börjar celler i heterogena blandningar. Celler måste självsortera i olika fack för att bilda distinkta homogena vävnader. Detta är ett av de stora kollektiva cellbeteendena som fungerar under utveckling av vävnader och organ och organregenerering.

"Celler måste kunna organisera sig ordentligt, separera sig själva för att utföra sina jobb", sa McCarthy. "Vi ville förstå, om du tar bort kemi och tittar strikt på fysiken, vilka är mekanismerna genom vilka denna omorganisation kan ske spontant?"

Tidigare fysikundersökningar fann att partiklar separeras när vissa får ett ryck med högre temperatur. När en population av partiklar injiceras med energi i liten skala, blir den aktiv - eller "het" - medan den andra populationen lämnas inaktiv eller "kall". Denna skillnad i värme orsakar en omorganisation bland de två populationerna. Dessa modeller är förenklade versioner av biologiska system som använder temperatur för att uppskatta cellulär energi och rörelse.

"Varma partiklar trycker de kalla partiklarna åt sidan så att de kan ta över ett större utrymme", sa medförfattaren Manna. "Men det händer bara när det finns ett gap mellan partiklarna."

Tidigare modellering identifierade självsorterande partikelbeteende vid mindre packade, mellanliggande densiteter.

Men Syracuse-teamet hittade något överraskande. Efter att ha injicerat energi i en population av partiklar med hög densitet, tryckte de varma partiklarna inte runt de kalla. De heta partiklarna saknade utrymme för att göra det.

Det är viktigt eftersom biologiska partiklar – proteiner i celler och celler i vävnad – vanligtvis lever i trånga, trånga utrymmen.

"Din hud, till exempel, är en mycket tät miljö," sa McCarthy. "Celler är packade så tätt ihop att det inte finns något utrymme mellan dem. Om vi ​​vill tillämpa dessa fysikfynd på biologi måste vi titta på höga densiteter för att våra modeller ska vara användbara. Men vid mycket höga densiteter, skillnaden i aktivitet mellan två populationer får dem inte att sortera."

Det måste finnas någon annan självsorteringsmekanism på spel inom biologin. "Temperatur eller aktiv injicering av energi skiljer inte alltid saker åt, så du kan inte använda det i biologi," sa Manning. "Du måste söka efter någon annan mekanism."

För Manning illustrerar denna studie styrkorna hos Syracuse University. "Det faktum att en grundutbildning ledde den här forskningen talar om den fantastiska kvaliteten hos studenter vi har vid Syracuse University, som är lika bra som de var som helst i världen, och till Erin självs exceptionella karaktär," sa Manning.

Manna, postdoktoral mentor för den sista delen av McCarthys projekt, var avgörande för att få det till slut. "Studien skulle inte ha hänt utan honom," sa Manning. "Detta visar att vi kan rekrytera framstående postdoktorer till Syracuse eftersom vi är ett så fantastiskt forskningsuniversitet." Manna är nu postdoktor vid institutionen för fysik vid Northeastern University.

McCarthy, en forskningsteknolog i ett biologiskt labb vid Northwestern University School of Medicine, planerar att börja söka till forskarskolan.

"På Syracuse," sa McCarthy, "har jag lärt mig hur mycket jag älskar forskning och vill att det ska vara en del av min framtid."

Mer information: Erin McCarthy et al, Demixing in Binary Mixtures with Differential Diffusivity at High Density, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.098301

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev

Tillhandahålls av Syracuse University