Une goutte de colorant alimentaire qui se répand lentement dans un verre d'eau est entraînée par un processus connu sous le nom de diffusion. Alors que les mathématiques de la diffusion sont connues depuis de nombreuses années, comment ce processus fonctionne dans les organismes vivants n'est pas aussi bien compris.

Maintenant, une étude publiée dans Communication Nature fournit de nouvelles informations sur le processus de diffusion dans les systèmes complexes. Le résultat d'une collaboration entre les physiciens de Penn, l'Université du Chili, et Université Heinrich Heine de Düsseldorf, ce nouveau cadre théorique a de larges implications pour les surfaces actives, tels que ceux trouvés dans les biofilms, revêtements actifs, et même des mécanismes d'élimination des agents pathogènes.

La diffusion est décrite par les lois de Fick :Particules, atomes, ou les molécules se déplaceront toujours d'une région de concentration élevée à faible. La diffusion est l'un des moyens les plus importants par lesquels les molécules se déplacent dans le corps. Cependant, pour le transport de gros objets sur de grandes distances, la diffusion standard devient trop lente à suivre.

"C'est à ce moment-là que vous avez besoin de composants actifs pour aider à transporter les choses, " déclare Arnold Mathijssen, co-auteur de l'étude. En biologie, ces actionneurs comprennent des moteurs cytosquelettiques qui déplacent les vésicules cargo dans les cellules, ou des cils qui pompent le liquide hors des poumons humains. Lorsque de nombreux actionneurs s'accumulent sur une surface, ils sont connus sous le nom de « tapis actifs ». Ensemble, ils peuvent injecter de l'énergie dans un système afin d'aider à rendre la diffusion plus efficace.

Mathijssen, dont le groupe de recherche étudie la physique des agents pathogènes, s'est d'abord intéressé à ce sujet en étudiant les biofilms avec Francisca Guzmán-Lastra, un expert en physique de la matière active, et le physicien théoricien Hartmut Löwen. Les biofilms sont un autre exemple de tapis actifs car ils utilisent leurs flagelles pour créer des "flux" qui pompent le liquide et les nutriments de leur environnement. Spécifiquement, les chercheurs voulaient comprendre comment les biofilms peuvent se maintenir lorsque l'accès aux nutriments est limité. « Ils peuvent augmenter leur consommation alimentaire en créant des flux, mais cela coûte aussi de l'énergie. Donc, la question était :quelle quantité d'énergie mettez-vous pour en extraire ?", explique Mathijssen.

Mais étudier les tapis actifs est difficile car ils ne s'alignent pas parfaitement sur les lois de Fick, les chercheurs devaient donc développer un moyen de comprendre la diffusion dans ces systèmes hors équilibre, ou ceux qui ont ajouté de l'énergie. "Nous avons pensé que nous pouvions généraliser ces lois pour une meilleure diffusion, lorsque vous avez des systèmes qui ne suivent pas les lois de Fick mais peuvent toujours suivre une formule simple qui est largement applicable à plusieurs de ces systèmes actifs, " dit Mathijssen.

Après avoir trouvé comment relier les mathématiques nécessaires pour comprendre à la fois la dynamique bactérienne et les lois de Fick, les chercheurs ont développé un modèle similaire à l'équation de Stokes-Einstein, qui décrit la relation avec la température et la diffusion, et ont découvert que les fluctuations microscopiques pouvaient expliquer les changements qu'ils ont observés dans la diffusion des particules. En utilisant leur nouveau modèle, les chercheurs ont également constaté que la diffusion générée par ces petits mouvements est incroyablement efficace, permettant aux bactéries d'utiliser juste une petite quantité d'énergie pour gagner une grande quantité de nourriture.

"Nous avons maintenant dérivé une théorie qui prédit le transport de molécules à l'intérieur des cellules ou à proximité de surfaces actives. Mon rêve serait que ces théories soient appliquées dans différents contextes biophysiques, " dit Mathijssen. Son nouveau laboratoire de recherche à Penn commencera à travailler sur des expériences de suivi pour tester ces nouveaux modèles. Ils prévoient d'étudier la diffusion active à la fois dans des systèmes microscopiques biologiques et artificiels.

Mathijssen, qui s'implique également sur un projet lié à la propagation du COVID-19 dans les installations agroalimentaires, dit que les cils dans les poumons sont un autre exemple important de tapis actifs en biologie, d'autant plus qu'ils servent de première ligne de défense contre des agents pathogènes comme le COVID-19. Il dit, "Ce serait une autre chose très importante à tester, si cette théorie des tapis actifs peut être liée à la théorie de l'élimination des agents pathogènes dans les voies respiratoires. »