Una goccia di colorante alimentare che si diffonde lentamente in un bicchiere d'acqua è guidata da un processo noto come diffusione. Mentre la matematica della diffusione è nota da molti anni, come funziona questo processo negli organismi viventi non è altrettanto ben compreso.

Ora, uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura fornisce nuovi spunti sul processo di diffusione nei sistemi complessi. Il risultato di una collaborazione tra i fisici della Penn, l'Università del Cile, e l'Università Heinrich Heine di Düsseldorf, questo nuovo quadro teorico ha ampie implicazioni per le superfici attive, come quelli che si trovano nei biofilm, rivestimenti attivi, e persino meccanismi per l'eliminazione dei patogeni.

La diffusione è descritta dalle leggi di Fick:Particelle, atomi, o le molecole si sposteranno sempre da una regione ad alta concentrazione a una bassa concentrazione. La diffusione è uno dei modi più importanti in cui le molecole si muovono all'interno del corpo. Però, per il trasporto di oggetti di grandi dimensioni su grandi distanze, la diffusione standard diventa troppo lenta per tenere il passo.

"Ecco quando hai bisogno di componenti attivi per aiutare a trasportare le cose in giro, ", afferma il coautore dello studio Arnold Mathijssen. In biologia, questi attuatori includono motori citoscheletrici che muovono le vescicole di carico nelle cellule, o ciglia che pompano liquido dai polmoni umani. Quando molti attuatori si accumulano su una superficie, sono conosciuti come "tappeti attivi". Insieme, possono iniettare energia in un sistema per contribuire a rendere più efficiente la diffusione.

Mathijssen, il cui gruppo di ricerca studia la fisica dei patogeni, si è interessato per la prima volta a questo argomento mentre studiava i biofilm con Francisca Guzmán-Lastra, esperto di fisica della materia attiva, e il fisico teorico Hartmut Löwen. I biofilm sono un altro esempio di tappeti attivi poiché usano i loro flagelli per creare "flussi" che pompano liquidi e sostanze nutritive dal loro ambiente. Nello specifico, i ricercatori erano interessati a capire come i biofilm sono in grado di sostenersi quando l'accesso ai nutrienti è limitato. "Possono aumentare il loro assorbimento di cibo creando flussi, ma questo costa anche energia. Così, la domanda era:quanta energia metti per far uscire l'energia?" dice Mathijssen.

Ma studiare i tappeti attivi è difficile perché non si allineano perfettamente con le leggi di Fick, quindi i ricercatori avevano bisogno di sviluppare un modo per comprendere la diffusione in questi sistemi di non equilibrio, o quelli che hanno aggiunto energia. "Pensavamo di poter generalizzare queste leggi per una maggiore diffusione, quando hai sistemi che non seguono le leggi di Fick ma possono comunque seguire una semplice formula che è ampiamente applicabile a molti di questi sistemi attivi, "dice Mathijssen.

Dopo aver capito come collegare la matematica necessaria per comprendere sia la dinamica batterica che le leggi di Fick, i ricercatori hanno sviluppato un modello simile all'equazione di Stokes-Einstein, che descrive la relazione con la temperatura e la diffusione, e hanno scoperto che le fluttuazioni microscopiche potrebbero spiegare i cambiamenti che hanno visto nella diffusione delle particelle. Usando il loro nuovo modello, i ricercatori hanno anche scoperto che la diffusione generata da questi piccoli movimenti è incredibilmente efficiente, consentendo ai batteri di utilizzare solo una piccola quantità di energia per ottenere una grande quantità di cibo.

"Ora abbiamo derivato una teoria che prevede il trasporto di molecole all'interno delle cellule o vicino a superfici attive. Il mio sogno sarebbe che queste teorie vengano applicate in diversi contesti biofisici, " afferma Mathijssen. Il suo nuovo laboratorio di ricerca alla Penn inizierà a lavorare su esperimenti di follow-up per testare questi nuovi modelli. Hanno in programma di studiare la diffusione attiva sia nei sistemi microscopici biologici che ingegnerizzati.

Mathijssen, che è anche coinvolto in un progetto relativo alla diffusione del COVID-19 negli impianti di trasformazione alimentare, dice che le ciglia nei polmoni sono un altro importante esempio di tappeti attivi in ​​biologia, soprattutto perché servono come prima linea di difesa contro agenti patogeni come il COVID-19. Lui dice, "Sarebbe un'altra cosa molto importante da testare, se questa teoria dei tappeti attivi può essere collegata alla teoria dell'eliminazione dei patogeni nelle vie aeree."