فیزیکدانان اسرار حرکت دهنده های میکروتوبول را حل می کنند

4 سپتامبر 2023- توسط Renay San Miguel، موسسه فناوری جورجیا-سه دسته میکروتوبول خارج از صفحه قابل توجه با بقیه میکروتوبول ها در پایین سمت چپ تصویر ناهمسو هستند. اعتبار: موسسه فناوری جورجیا

ماده فعال هر مجموعه ای از مواد یا سیستم های متشکل از واحدهای منفرد است که به لطف حرکت خود رانش یا حرکت مستقل می توانند به تنهایی حرکت کنند. آنها می توانند به هر اندازه ای باشند – به ابرهای باکتری در ظرف پتری یا دسته های ماهی فکر کنید.

رومن گریگوریف بیشتر به رفتارهای نوظهور در سیستم های ماده فعال متشکل از واحدهایی در مقیاس مولکولی علاقه مند است – سیستم های کوچکی که انرژی ذخیره شده را به حرکت جهت دار تبدیل می کنند و در حین حرکت و اعمال نیروی مکانیکی انرژی مصرف می کنند.

گریگوریف، استاد دانشکده فیزیک در جورجیا تک، توضیح می دهد: «سیستم های ماده فعال به دلیل خواص منحصر به فرد و کاربردهای بالقوه خود توجه قابل توجهی را در فیزیک، زیست شناسی و علم مواد به خود جلب کرده اند.

او می‌گوید: «محققان در حال بررسی این هستند که چگونه می‌توان ماده فعال را برای کارهایی مانند طراحی مواد جدید با ویژگی‌های مناسب، درک رفتار ارگانیسم‌های بیولوژیکی، و حتی توسعه رویکردهای جدید برای روباتیک و سیستم‌های خودمختار مهار کرد.

اما این تنها در صورتی امکان پذیر است که دانشمندان بیاموزند واحدهای میکروسکوپی سازنده ماده فعال چگونه برهم کنش می کنند و آیا می توانند بر این برهمکنش ها و در نتیجه خواص جمعی ماده فعال در مقیاس ماکروسکوپی تأثیر بگذارند یا خیر.

گریگوریف و همکاران پژوهشی او با توسعه مدل جدیدی از ماده فعال که بینش جدیدی از فیزیک مسئله ایجاد می کند، اولین گام بالقوه را یافته اند. آن‌ها روش‌ها و نتایج خود را در مطالعه‌ای که در Science Advances منتشر شد، با عنوان «مدل‌سازی مبتنی بر داده‌های فیزیکی آگاهانه از نماتیک‌های فعال» به تفصیل شرح می‌دهند.

نویسندگان همکار گریگوریف شامل محققین فارغ التحصیل دانشکده فیزیک متیو گلدن و جیوتیشراج نامبیسان و همچنین آلبرتو فرناندز-نیوز، استاد گروه فیزیک ماده متراکم در دانشگاه بارسلونا و دانشیار سابق فیزیک در جورجیا تک هستند.

راه حل دو بعدی؟

تیم تحقیقاتی بر روی یکی از رایج‌ترین نمونه‌های ماده فعال، معلق ذرات خودکششی، مانند باکتری‌ها یا میکروشناگرهای مصنوعی، در یک محیط مایع تمرکز کردند. این ذرات به دلیل توانایی خود در حرکت و تعامل با یکدیگر، خوشه ای می شوند و در غیر این صورت الگوهای پویا را تشکیل می دهند.

گریگوریف توضیح می‌دهد: «در مقاله‌مان، از داده‌های یک سیستم آزمایشی شامل تعلیق میکروتوبول‌ها استفاده می‌کنیم که پشتیبانی ساختاری، شکل و سازماندهی سلول‌های یوکاریوتی (هر سلولی با هسته‌ای کاملاً مشخص) را فراهم می‌کند.

میکروتوبول‌ها، و همچنین رشته‌های اکتین و برخی باکتری‌ها، نمونه‌هایی از نماتیک‌ها هستند، اجسام میله‌مانندی که «سر» آنها از «دم»شان قابل تشخیص نیست.

حرکت میکروتوبول ها توسط موتورهای مولکولی که توسط پروتئینی به نام کینزین تغذیه می شوند، هدایت می شود که آدنوزین تری فسفات (ATP) حل شده در مایع را مصرف می کند تا یک جفت میکروتوبول مجاور را از روی یکدیگر بلغزاند. سیستم محقق از میکروتوبول‌های معلق بین لایه‌های روغن و آب استفاده می‌کرد که حرکت آنها را به دو بعد محدود می‌کرد.

این امر تجسم میکروتوبول‌ها و ردیابی حرکت آنها را آسان‌تر می‌کند. با تغییر غلظت کینزین یا ATP، ما می‌توانیم حرکت میکروتوبول‌ها را کنترل کنیم، و این مجموعه آزمایشی را به یکی از محبوب‌ترین در مطالعه نماتیک‌های فعال و حتی تبدیل می‌کند. به طور کلی، ماده فعال است.

بدست آوردن تصویر واضح تر از حرکات میکروتوبولی تنها یکی از کشفیات این مطالعه بود.دیگری یادگیری بیشتر در مورد روابط بین الگوهای مشخصه توصیف کننده جهت و حرکت مولکول های نماتیک در مقیاس ماکروسکوپی بود. این الگوها، یا نقص‌های توپولوژیکی، تعیین می‌کنند که نماتیک‌ها چگونه خود را در فصل مشترک نفت و آب، که در دو بعد فضایی است، جهت می‌دهند.

گریگوریف گفت: درک رابطه بین جریان – ویژگی جهانی سیستم یا سیال – و نقص های توپولوژیکی که جهت گیری محلی میکروتوبول ها را توصیف می کند، یکی از سوالات فکری کلیدی است که محققان در این زمینه با آن مواجه هستند. فرد باید به درستی اثرات فیزیکی غالب را که برهمکنش بین میکروتوبول ها و مایع اطراف را کنترل می کند، شناسایی کند.

گریگوریف می افزاید: «و اینجاست که داستان جالب می شود. “برای بیش از یک دهه، اعتقاد بر این بود که فیزیک کلیدی به خوبی درک شده است، با تعداد زیادی از مطالعات نظری و محاسباتی با تکیه بر یک مدل اصول اولیه پذیرفته شده عمومی” – یعنی مدلی مبتنی بر علم تثبیت شده – ” برای نماتیک های فعال در سه بعد فضایی” که در ابتدا مشتق شده بود.

با این حال، در مدل جورجیا تک، پویایی نماتیک‌های فعال – به طور خاص، طول و مقیاس‌های زمانی الگوهای در حال ظهور – توسط یک جفت فیزیکی کنترل می‌شود.

ثابت هایی که اثرات فیزیکی غالب مفروض را توصیف می کنند: سفتی میکروتوبول ها (انعطاف پذیری آنها) و فعالیتی که تنش یا نیروی ایجاد شده توسط موتورهای کینزین را توصیف می کند.

گریگوریف می‌گوید: «با استفاده از یک رویکرد مبتنی بر داده، شکل صحیح مدل را استنباط کردیم که نشان می‌دهد، برای نماتیک‌های فعال دوبعدی، اثرات فیزیکی غالب با آنچه قبلاً فرض شده بود متفاوت است. به طور خاص، مقیاس زمانی با سرعتی تنظیم می شود که در آن دسته های میکروتوبول توسط کینزین کشیده می شوند. این نرخ است که به جای استرس ثابت است.

خطر سوگیری تایید

گریگوریف گفت که نتایج این مطالعه پیامدهای مهمی برای درک نماتیک‌های فعال و رفتارهای نوظهور آنها دارد و توضیح داد که آنها به منطقی کردن تعدادی از نتایج تجربی اخیر که قبلاً توضیح داده نشده بودند، کمک می‌کند، مانند اینکه چگونه چگالی عیوب توپولوژیکی و ویسکوزیته لایه های سیال با غلظت کینزین مقیاس می‌شود.

گریگوریف گفت: «مهمتر از آن، نتایج ما خطر مرتبط با مفروضات سنتی را نشان می دهد که جوامع تحقیقاتی مستقر اغلب بر سر آن قرار می گیرند و با مشکل مواجه می شوند. “در حالی که روش های مبتنی بر داده ممکن است منابع سوگیری خاص خود را داشته باشند، آنها دیدگاهی را ارائه می دهند که به اندازه کافی متفاوت از رویکردهای سنتی تر است تا به خودی خود به یک ابزار تحقیقاتی ارزشمند تبدیل شود.”