p Flutuações de interface em diferentes modelos vivos e não vivos considerados no estudo:a) superposição de uma célula unitária de estrutura orgânica de metal imidazolato de zinco observada em dois pontos de tempo (visualização ampliada), b) ondulações superficiais térmicas no grafeno sobre a água, c) imagem de campo claro de um Physarum polycephalum individual (bolor limoso) para demonstrar contrações vasculares periódicas ativas da esquerda para a direita, com tempo, d) representação esquemática de um modelo teórico para avaliar a difusão de partículas, o transporte é modificado por advecção, e) representação esquemática de uma geometria bidimensional utilizada no texto principal para explicar a teoria. Crédito: Física da Natureza , doi:https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.
p O físico Richard Feynman destacou a importância das flutuações na matéria viva quando afirmou:"Tudo o que as coisas vivas fazem pode ser entendido em termos de balançar e balançar de átomos." Isso é verdadeiro para o transporte amplamente investigado impulsionado por flutuações em nanoporos biológicos e para observações semelhantes em fases de fluidos não vivos, onde flutuações hidrodinâmicas em massa afetam dramaticamente a dinâmica em nanoescala. Simulações numéricas também destacaram o impacto dos modos de fônons em nanotubos de carbono que transportam partículas confinadas dentro deles, e estudos em escalas maiores investigaram ondas acústicas de superfície microfluídicas que manipulam fluidos em microescala. Embora essas observações mostrem o impacto quantitativo da agitação da superfície nas propriedades de transporte abrangendo escalas de comprimento consideráveis, falta uma teoria geral que preveja a dependência das propriedades de transporte nas flutuações da superfície. Esse potencial de controlar ativa ou passivamente o transporte molecular através dos nanoporos terá impacto nas aplicações de biossensor. p Por exemplo, Atualmente, é surpreendentemente difícil responder se as flutuações da superfície dos poros aumentam ou diminuem o transporte difusivo. Embora as flutuações de superfície devam melhorar as propriedades de difusão por meio de fluxos hidrodinâmicos induzidos, protuberâncias geométricas podem aprisionar partículas para desaceleração entrópica. Como resultado, a situação mais geral de transporte com geometria que varia temporalmente permanece aberta. Em resposta, escrevendo em
Nature Physics, Marbach et al. já estabeleceram uma relação geral entre o transporte difusivo e o espectro dinâmico das flutuações da superfície. A estrutura se aplica a casos em que as flutuações estruturais do poro confinante são induzidas por ruído térmico, e a flutuações de não equilíbrio ativas induzidas por estímulos externos. A teoria foi aplicada para entender várias situações relevantes para o transporte de nanoporos e para configurações em larga escala, como contrações ativas em espécies de fungos que influenciam no transporte de nutrientes.
p Os resultados demonstraram uma interação complexa entre o transporte e a oscilação da superfície. A teoria estava totalmente de acordo com simulações de dinâmica molecular e com observações existentes na literatura. Os resultados iluminaram o impacto da agitação dos poros em uma ampla gama de porinas artificiais e biológicas e em escalas maiores no movimento vascular de fungos, contrações intestinais e ondas de superfície microfluídicas, abrindo a possibilidade de sintonizar ativamente o transporte através das membranas por meio de estímulos externos. Tais fenômenos têm aplicações potenciais para bombeamento controlado em nanoescala, osmose e ultrafiltração dinâmica através das membranas.
p A teoria começou analisando a difusão de uma partícula confinada entre duas superfícies flutuantes em uma geometria bidimensional simples, facilmente extensível a três dimensões. Inicialmente, a teoria geral aplicada a vários cenários, incluindo flutuações originadas de ruído térmico e flutuações ativas (fora de equilíbrio) conduzidas por estímulos externos. Nas equações subsequentes, a constante de difusão pode ser renormalizada para ser positiva ou negativa, já que balançar no sistema pode acelerar ou desacelerar as coisas. Outros cenários foram considerados para situações em que a estrutura de poros sofreu flutuações de desequilíbrio devido a um estímulo externo ao adicionar uma força a uma equação, levando a um transporte fora do equilíbrio dentro dos poros.
p Transporte aprimorado ou diminuído sob a oscilação da forma de poro vs. o número adimensional do tipo Péclet para vários modelos de transportadores de fluido, descrito no estudo. A difusão efetiva em poros com flutuação ativa ou térmica foi normalizada novamente por meio do espectro de dinâmica térmica ou via dinâmica ativa, conforme descrito no estudo. Crédito: Física da Natureza , doi:https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.
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p Como resultado do referencial teórico, os físicos foram capazes de quantificar o impacto das flutuações da superfície no transporte nos sistemas modelo considerados no estudo. Normalmente, para números semelhantes a Péclet (um indicador adimensional de difusão ou advecção em um sistema), espera-se que o transporte aumente sob oscilações estruturais através da distribuição dominada por advecção, conforme observado.
p Derivando a equação de difusão-advecção reduzida entre um substrato plano e a superfície superior flutuante. O esquema mostra uma interface flutuante [z =h (x, y, t)] de uma altura de referência H. A interface constitui uma membrana ou é uma camada livre. Crédito: Física da Natureza , doi:https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.
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p O transporte de moléculas através de membranas biológicas é um processo rigidamente regulado, absolutamente vital para os organismos vivos. O paradigma pode, portanto, ser usado em um organismo de interesse para compreender a dinâmica da dispersão de nutrientes dentro de redes vasculares em contração, uma vez que estratégias alternativas para a rápida dispersão de nutrientes são essenciais para a sobrevivência. Por exemplo, no organismo unicelular de P. polycephalum composto por uma rede conectada de veias contendo citoplasma, os nutrientes podem ser distribuídos pelo corpo por meio de fluxos de vaivém periódicos não estacionários, impulsionados por uma onda peristáltica de contrações que se estende pelo organismo.
p O estudo destacou que uma ampla variedade de situações cobrindo uma gama de escalas podem ser colocadas em perspectiva sob a estrutura teorizada. A teoria permitirá a identificação de componentes-chave para projetar canais ativos. Os resultados mostraram a possibilidade de sintonizar ativamente a difusão através dos nanoporos. Além disso, a osmose pode ser modificada em canais flutuantes, aproveitando a dinâmica fora de equilíbrio do poro, para exploração futura. Esses recursos de ajuste fino terão aplicações significativas em estudos moleculares aprofundados no futuro. p © 2018 Phys.org
