Entropi förknippas ofta med oordning och kaos, men inom biologin är det relaterat till energieffektivitet och är nära kopplat till metabolism, den uppsättning kemiska reaktioner som upprätthåller liv.

Ett internationellt forskarlag under ledning av universiteten i Barcelona och Padua, med deltagande av universitetet i Göttingen och universiteten Complutense och Francisco de Vitoria i Madrid, har nu utvecklat en ny metodik för mätning av entropiproduktion i nanometerskala.

Det nya tillvägagångssättet gjorde det möjligt för forskarna att mäta värmeflödet, känt som entropiproduktionshastigheten, för enstaka röda blodkroppar. Forskningen publicerades i Science .

Forskare använde ett nytt sätt att mäta värmeflödet från de aktiva metaboliska krafterna inuti de röda blodkropparna genom att kvantifiera den ökande entropin genom att helt enkelt observera de kontinuerliga och oberäkneliga fluktuationerna i de röda blodkropparnas membran.

För att säkerställa att detta tillvägagångssätt fungerar skapade forskarna också mer komplexa tillvägagångssätt, där små mikrometerstora partiklar limmades på membranet som inte bara kunde användas för att mäta membranets fluktuationer, utan också för att applicera små krafter som skapas. genom att helt enkelt belysa partiklarna med ljus.

Sådana kolloidala partiklar – små fasta partiklar suspenderade i en flytande fas – kan ses som ett utmärkt sätt att mäta och även manipulera rörelsen hos de levande cellernas membran. För sina beräkningar med faktiska röda blodkroppar använde forskarna experimentella metoder baserade på direkt optisk manipulation av membranet, men också optisk avkänning och ultrasnabb mikroskopi med levande avbildning.

Forskarna vid universitetet i Göttingen bidrog genom att utföra känsliga och precisa experiment. "Vi utvecklade ett experiment som använde fotoner, med vilket vi menar ljus, för att hålla cellerna så försiktigt att det känsliga värmeflödet inte stördes av ljuset, men ändå starkt nog att mäta dess effekter", säger professor Timo Betz, från Biofysikinstitutet i Göttingen.

"Värme är ett symptom på cellhälsa, och detta fynd kan öppna upp nya sätt att bestämma vävnadshälsan", förklarar huvudforskaren professor Felix Ritort, Institutet för nanovetenskap och nanoteknik, universitetet i Barcelona. Han tillägger, "Att karaktärisera entropiproduktionen i levande system är avgörande för att förstå effektiviteten av energiomvandlingsprocesser."

Det finns ett stort intresse för att mäta entropiproduktion i fysiska och biologiska system eftersom de är relevanta för så många andra system. "Det här genombrottet har långtgående konsekvenser för vår förståelse av metabolism och energitransport i levande system", säger Betz.

"Dessutom kan dessa fynd visa sig användbara för tillämpningar inom hälsa och medicin eller vägleda vägen för att utveckla nya smarta material som utnyttjar en kontrollerad entropiproduktionshastighet för att skapa ett svar på små yttre stimuli."

Resultaten publiceras i Science .

Mer information: I. Di Terlizzi et al, Varianssummeregel för entropiproduktion, Science (2024). DOI:10.1126/science.adh1823

Journalinformation: Vetenskap

Tillhandahålls av universitetet i Göttingen