Adrop de corante alimentar que se espalha lentamente em um copo de água é impulsionado por um processo conhecido como difusão. Embora a matemática da difusão seja conhecida há muitos anos, como esse processo funciona nos organismos vivos não é tão bem compreendido.

Agora, um estudo publicado em Nature Communications fornece novos insights sobre o processo de difusão em sistemas complexos. O resultado de uma colaboração entre físicos da Penn, a Universidade do Chile, e Heinrich Heine University Düsseldorf, este novo quadro teórico tem amplas implicações para superfícies ativas, como os encontrados em biofilmes, revestimentos ativos, e até mesmo mecanismos para eliminação de patógenos.

A difusão é descrita pelas leis de Fick:Partículas, átomos, ou as moléculas sempre se moverão de uma região de alta concentração para baixa. A difusão é uma das formas mais importantes pelas quais as moléculas se movem dentro do corpo. Contudo, para o transporte de grandes objetos em grandes distâncias, a difusão padrão torna-se muito lenta para acompanhar.

"É quando você precisa de componentes ativos para ajudar a transportar as coisas, "diz o co-autor do estudo Arnold Mathijssen. Em biologia, esses atuadores incluem motores citoesqueléticos que movem vesículas de carga nas células, ou cílios que bombeiam líquido para fora dos pulmões humanos. Quando muitos atuadores se acumulam em uma superfície, eles são conhecidos como "tapetes ativos". Juntos, eles podem injetar energia em um sistema para ajudar a tornar a difusão mais eficiente.

Mathijssen, cujo grupo de pesquisa estuda a física de patógenos, começou a se interessar por este tópico enquanto estudava biofilmes com Francisca Guzmán-Lastra, um especialista em física da matéria ativa, e o físico teórico Hartmut Löwen. Os biofilmes são outro exemplo de tapetes ativos, pois usam seus flagelos para criar "fluxos" que bombeiam líquidos e nutrientes de seu ambiente. Especificamente, os pesquisadores estavam interessados ​​em entender como os biofilmes são capazes de se sustentar quando o acesso aos nutrientes é limitado. "Eles podem aumentar a ingestão de alimentos criando fluxos, mas isso também custa energia. Então, a questão era:quanta energia você investe para liberar energia? ”, diz Mathijssen.

Mas estudar tapetes ativos é difícil porque eles não se alinham perfeitamente com as leis de Fick, então os pesquisadores precisaram desenvolver uma maneira de entender a difusão nesses sistemas de não equilíbrio, ou aqueles que adicionaram energia. "Achamos que poderíamos generalizar essas leis para uma maior difusão, quando você tem sistemas que não seguem as leis de Fick, mas ainda podem seguir uma fórmula simples que é amplamente aplicável a muitos desses sistemas ativos, "Mathijssen diz.

Depois de descobrir como conectar a matemática necessária para entender a dinâmica bacteriana e as leis de Fick, os pesquisadores desenvolveram um modelo semelhante à equação de Stokes-Einstein, que descreve a relação com temperatura e difusão, e descobriram que flutuações microscópicas podem explicar as mudanças que eles viram na difusão de partículas. Usando seu novo modelo, os pesquisadores também descobriram que a difusão gerada por esses pequenos movimentos é incrivelmente eficiente, permitindo que as bactérias usem apenas uma pequena quantidade de energia para obter uma grande quantidade de alimento.

"Agora derivamos uma teoria que prevê o transporte de moléculas dentro das células ou perto de superfícies ativas. Meu sonho seria que essas teorias fossem aplicadas em diferentes ambientes biofísicos, "diz Mathijssen. Seu novo laboratório de pesquisa em Penn vai começar a trabalhar em experimentos de acompanhamento para testar esses novos modelos. Eles planejam estudar a difusão ativa em sistemas microscópicos biológicos e projetados.

Mathijssen, que também está envolvido em um projeto relacionado à disseminação de COVID-19 em instalações de processamento de alimentos, diz que os cílios nos pulmões são outro exemplo importante de tapetes ativos na biologia, especialmente porque eles servem como a primeira linha de defesa contra patógenos como COVID-19. Ele diz, "Isso seria outra coisa muito importante para testar, se esta teoria de tapetes ativos pode estar ligada à teoria da eliminação de patógenos nas vias aéreas. "