细胞如何用“活地毯”运输分子

一滴食用色素在一杯水中缓慢扩散的过程被称为扩散。虽然扩散的数学原理已经为人所知很多年了，但这个过程是如何在活的有机体中运作的还没有被很好地理解。

现在，发表在Nature Communications上的一项研究为复杂系统中的扩散过程提供了新的见解。宾夕法尼亚大学物理学家，智利大学和杜塞尔多夫海因里希海涅大学合作的结果，这一新的理论框架对活性表面具有广泛的意义，例如生物膜，活性涂层甚至病原体清除机制中的活性表面。

菲克定律描述的扩散：粒子，原子或分子将始终从高浓度区域移动到低浓度区域。扩散是分子在体内移动的最重要方式之一。然而，对于大距离运输大物体，标准扩散变得太慢而无法跟上。

研究共同作者Arnold Mathijssen说：“那是你需要活跃的组件来帮助运输事物的时候。在生物学中，这些致动器包括将细胞中的货物囊泡移动的细胞骨架马达，或将液体泵出人肺的纤毛。当许多执行器积聚在表面上时，它们被称为‘活地毯’。它们一起可以将能量注入系统中以帮助使扩散更有效。”

Mathijssen的研究小组研究病原体的物理学，在与活性物质物理学专家FranciscaGuzmán-Lastra和理论物理学家HartmutLöwen研究生物膜时，首先对这一主题感兴趣。生物膜是活地毯的另一个例子，因为它们使用鞭毛来制造从环境中泵送液体和营养物质的“流动”。具体而言，研究人员有兴趣了解生物膜在获得营养物质有限时如何能够自我维持。他们可以通过创造流动来增加粮食吸收，但这也会消耗能源。所以，问题是“你投入了多少能量来获取能量？”Mathijssen说。

但是研究活地毯是困难的，因为它们与菲克定律不完全一致，所以研究人员需要开发一种方法来理解这些非平衡系统或增加能量的系统中的扩散。“我们认为，当您的系统不遵循菲克定律，但仍可能遵循广泛适用于许多这些活动系统的简单公式时，我们可以推广这些定律以增强扩散，“Mathijssen说。

在弄清楚了如何连接理解细菌动力学和菲克定律所需的数学之后，研究人员开发了一个类似于斯托克斯-爱因斯坦方程的模型，该模型描述了与温度和扩散的关系，并发现微观波动可以解释他们在粒子扩散中看到。使用他们的新模型，研究人员还发现，这些小运动产生的扩散效率非常高，允许细菌仅使用少量能量即可获得大量食物。

“我们现在得到了一个理论来预测分子在细胞内或靠近活性表面的运输。我的梦想是这些理论将应用于不同的生物物理环境，”Mathijssen说。他在宾夕法尼亚州的新研究实验室将开始进行后续实验，以测试这些新模型。他们计划研究生物和工程微观系统中的主动扩散。

Mathijssen也参与了与食品加工设施中COVID-19传播有关的项目，他说“肺部纤毛是生物学中活地毯的另一个重要例子，特别是因为它们是抵御病原体的第一道防线像COVID-19。他说：“这将是另一个非常重要的测试，这个活地毯的理论是否与呼吸道病原体清除理论有关。”

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