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A teoria da formação da bolha e da gota inspira uma estrutura para projetar pilhas vivas

A matemática arrebatada que descreve como as bolhas formam em um vidro de Champagne inspirou uma estrutura para projetar pilhas vivas.

Um estudo publicou o 22 de setembro em detalhes da natureza como uma formação de governo estabelecida da bolha e da gota da teoria da física conduziu a uma compreensão nova dos princípios que organizam os índices de pilhas vivas. As marcas de trabalho uma SHIFT sísmica na capacidade dos pesquisadores para compreender e controlar os materiais macios complexos dentro de nossas pilhas.

Esta aproximação é comum na ciência de materiais, mas nós adaptamo-la para fazer algo inaudito nas pilhas,”

Clifford Brangwynne, investigador principal, e professor de junho K. Wu '92 na engenharia e na iniciativa da tecnologia biológica do director Princeton, Universidade de Princeton

O trabalho actual segue a descoberta de Brangwynne mais do que uma década há aquele proteínas celulares organiza em estruturas líquidas dentro da pilha. Essa introspecção causou um campo de estudo novo que examina como as partes das pilhas formam bem como as gotas do petróleo que coalescem na água. Os cientistas confundiram depois sobre os detalhes exactos de como aquelas estruturas montam. Mas é uma coisa dura para medir a dinâmica mole de moléculas individuais dentro de uma pilha, onde misterioso, os processos de sobreposição roil caòtica como a acta estrutura o formulário e dissolvem mil por segundo das épocas.

O pesquisador pos-doctoral Shunsuke Shimobayashi tinha estudado a física macia da matéria na universidade de Kyoto e tinha querido saber se seu fundo que trabalha nos compostos orgânicos chamados lipidos pôde iluminar qualquer coisa interessante sobre o problema. Se as moléculas de proteína se condensam fora de seus arredores o petróleo da maneira separa da água, talvez a matemática que descreveu as primeiras etapas nesse processo, chamada nucleação, provaria útil nas proteínas também.

Shimobayashi girou para a teoria clássica da nucleação, uma coluna da ciência de materiais. Suas equações tinham posto algumas das transformações tecnologicos as mais profundas do século XX, dos modelos do clima que revelaram primeiramente o aquecimento global aos adubos que biliões ajudados do elevador de povos fora da inanição.

Estava igualmente afiada ciente de uma distinção crítica: aquelas equações descrevem sistemas simples, inanimados, mas o interior de uma pilha está na agitação. “É um ambiente material muito mais complexo para biomoléculas,” Shimobayashi disse. Mas empurrou adiante, colaborando com os teóricos Pierre Ronceray e Mikko Haataja, professor da engenharia mecânica e aeroespacial. Os pesquisadores descascaram a teoria para baixo a seus dois parâmetros mais importantes, adaptando a para tentar compreender como o processo pôde trabalhar nas pilhas. Para testar então a teoria, Shimobayashi girou para uma ferramenta avançada da proteína desenvolvida no laboratório de Brangwynne em 2018 que forneceu um ideal, o sistema simplificado que imita como o processo ocorre naturalmente nas pilhas. Unindo os, os resultados vieram como algo de um choque.

Quando Shimobayashi tentou induzir as gotas para semear instantaneamente, o sistema falhou. Mas quando semeou as gotas mais lentamente, nucleated em lugar precisamente definidos, em uma maneira que alinhasse perfeitamente com sua adaptaram a teoria. Tinha previsto como, onde e quando as gotas da proteína formaram com o que Brangwynne chamou “a precisão notável.”

A equipe em seguida girou de volta à complexidade desarrumado de estruturas de pilha nativas. Quando esclareceram todos os processos que actuam em concentrações da proteína, encontraram que a teoria trabalhou assim como. Tinham determinado o conjunto da molécula-por-molécula das proteínas nas estruturas líquidas complexas que regulam as rotinas as mais básicas da vida. Fazem não somente estas estruturas olham e actuam como o petróleo na água, Shimobayashi disse, elas igualmente formam gotas nos mesmos testes padrões básicos da nucleação, aglomerando-se em torno das variações minúsculas em seu ambiente nas taxas que podem ser previstas com a mesma precisão quantitativa que outros tipos dos materiais.

Com essa potência com carácter de previsão vem uma capacidade projetar acelerada, de acordo com Brangwynne. Acredita que determinando modelos com carácter de previsão biomoleculares dos processos e se tornar no molde da física conduzirá a um mundo em que nós já não olhamos passiva enquanto nossos amados sucumbem às doenças como Alzheimer.

“Nós primeiramente temos que compreender como trabalha, com estruturas matemáticas quantitativas que são a terra firme da engenharia da sociedade se admiram. E então nós podemos tomar os passos seguintes, para manipular sistemas biológicos com maior controle,” Brangwynne disse. “Nós precisamos de poder girar os botões.”

Além do que Brangwynne e Shimobayashi, os autores do estudo incluem Pierre Ronceray, anteriormente um pesquisador pos-doctoral em Princeton; David W. Máquina de lixar, um pesquisador pos-doctoral no laboratório de Brangwynne; e Mikko Haataja, professor da engenharia mecânica e aeroespacial. O trabalho foi apoiado na parte pelo Howard Hughes Medical Institute, nos institutos de saúde nacionais e no centro de Princeton para materiais complexos.

Source:
Journal reference:

Shimobayashi, S. F., et al. (2021) Nucleation landscape of biomolecular condensates. Nature. doi.org/10.1038/s41586-021-03905-5.