Una gota de colorante para alimentos que se esparce lentamente en un vaso de agua es impulsada por un proceso conocido como difusión. Si bien las matemáticas de la difusión se conocen desde hace muchos años, No se comprende bien cómo funciona este proceso en los organismos vivos.

Ahora, un estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza proporciona nuevos conocimientos sobre el proceso de difusión en sistemas complejos. El resultado de una colaboración entre físicos en Penn, la Universidad de Chile, y la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, este nuevo marco teórico tiene amplias implicaciones para las superficies activas, como los que se encuentran en las biopelículas, revestimientos activos, e incluso mecanismos para la eliminación de patógenos.

La difusión se describe mediante las leyes de Fick:partículas, átomos, o las moléculas siempre se moverán de una región de alta a baja concentración. La difusión es una de las formas más importantes en que las moléculas se mueven dentro del cuerpo. Sin embargo, para el transporte de grandes objetos a grandes distancias, la difusión estándar se vuelve demasiado lenta para mantenerse al día.

"Ahí es cuando necesitas componentes activos que te ayuden a transportar cosas, "dice el coautor del estudio Arnold Mathijssen. En biología, Estos actuadores incluyen motores citoesqueléticos que mueven vesículas de carga en las células, o cilios que bombean líquido de los pulmones humanos. Cuando muchos actuadores se acumulan en una superficie, se las conoce como "alfombras activas". Juntos, pueden inyectar energía en un sistema para ayudar a que la difusión sea más eficiente.

Mathijssen, cuyo grupo de investigación estudia la física de los patógenos, se interesó por primera vez en este tema mientras estudiaba biopelículas con Francisca Guzmán-Lastra, un experto en física de la materia activa, y el físico teórico Hartmut Löwen. Las biopelículas son otro ejemplo de alfombras activas, ya que utilizan sus flagelos para crear "flujos" que bombean líquidos y nutrientes de su entorno. Específicamente, los investigadores estaban interesados ​​en comprender cómo las biopelículas pueden sostenerse por sí mismas cuando el acceso a los nutrientes es limitado. "Pueden aumentar su consumo de alimentos creando flujos, pero esto también cuesta energía. Entonces, la pregunta era:¿cuánta energía pones para sacar energía? ”, dice Mathijssen.

Pero estudiar alfombras activas es difícil porque no se alinean perfectamente con las leyes de Fick, por lo que los investigadores necesitaban desarrollar una forma de comprender la difusión en estos sistemas que no están en equilibrio, o los que tienen energía adicional. "Pensamos que podríamos generalizar estas leyes para mejorar la difusión, cuando tiene sistemas que no siguen las leyes de Fick pero aún pueden seguir una fórmula simple que es ampliamente aplicable a muchos de estos sistemas activos, "Dice Mathijssen.

Después de descubrir cómo conectar las matemáticas necesarias para comprender tanto la dinámica bacteriana como las leyes de Fick, los investigadores desarrollaron un modelo similar a la ecuación de Stokes-Einstein, que describe la relación con la temperatura y la difusión, y encontraron que las fluctuaciones microscópicas podrían explicar los cambios que vieron en la difusión de partículas. Usando su nuevo modelo, Los investigadores también encontraron que la difusión generada por estos pequeños movimientos es increíblemente eficiente, permitiendo que las bacterias usen solo una pequeña cantidad de energía para obtener una gran cantidad de alimento.

"Ahora hemos derivado una teoría que predice el transporte de moléculas dentro de las células o cerca de superficies activas. Mi sueño sería que estas teorías se aplicaran en diferentes entornos biofísicos, "dice Mathijssen. Su nuevo laboratorio de investigación en Penn comenzará a trabajar en experimentos de seguimiento para probar estos nuevos modelos. Ellos planean estudiar la difusión activa tanto en sistemas biológicos como microscópicos diseñados.

Mathijssen, quien también está involucrado en un proyecto relacionado con la propagación de COVID-19 en instalaciones de procesamiento de alimentos, dice que los cilios en los pulmones son otro ejemplo importante de alfombras activas en biología, especialmente porque sirven como la primera línea de defensa contra patógenos como COVID-19. Él dice, "Eso sería otra cosa muy importante para probar, si esta teoría de las alfombras activas puede estar relacionada con la teoría de la eliminación de patógenos en las vías respiratorias ".