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Tuesday, April 20, 2021

जीवों में प्रसार

सक्रिय कालीन से फ्लो फ़ील्ड

आणविक मोटर्स (शीर्ष) से ​​बना एक सक्रिय कालीन मजबूत प्रवाह उत्पन्न करता है, जो परिणामस्वरूप प्रवाह क्षेत्रों (नीचे) द्वारा तैयार किए गए आस-पास के कणों के प्रसार को बढ़ाता है। साभार: अर्नोल्ड मैथिजसेन

नए शोध जीवित प्रणालियों में प्रसार की प्रक्रिया में अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं, उपन्यास सक्रिय कोटिंग्स से निहितार्थ यह समझने के लिए कि फेफड़ों से रोगजनकों को कैसे साफ किया जाता है।

एक गिलास पानी में धीरे-धीरे फैलने वाले भोजन के रंग की एक बूंद को प्रसार नामक एक प्रक्रिया द्वारा संचालित किया जाता है। जबकि प्रसार के गणित को कई वर्षों से जाना जाता है, यह प्रक्रिया जीवित जीवों में कैसे काम करती है, यह अच्छी तरह से समझा नहीं गया है।

अब, एक अध्ययन में प्रकाशित हुआ प्रकृति संचार जटिल प्रणालियों में प्रसार की प्रक्रिया पर नई अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। पेन, चिली विश्वविद्यालय, और हेनरिक हेन यूनिवर्सिटी डसेलडोर्फ के भौतिकविदों के बीच सहयोग के परिणामस्वरूप, इस नए सैद्धांतिक ढांचे में सक्रिय सतहों के लिए व्यापक निहितार्थ हैं, जैसे कि बायोफिल्म, सक्रिय कोटिंग्स और रोगज़नक़ निकासी के लिए तंत्र में भी पाए जाते हैं।

डिफ्यूज़न का वर्णन फ़िक के नियमों द्वारा किया जाता है: कण, परमाणु या अणु हमेशा उच्च से निम्न सांद्रता वाले क्षेत्र में चले जाएंगे। प्रसार सबसे महत्वपूर्ण तरीकों में से एक है जो अणु शरीर के भीतर चलते हैं। हालांकि, बड़ी दूरी पर बड़ी वस्तुओं के परिवहन के लिए, मानक प्रसार को बनाए रखने के लिए बहुत धीमा हो जाता है।

अध्ययनकर्ता सह लेखक अर्नोल्ड मैथिजसेन कहते हैं, “जब आपको चीजों को परिवहन में मदद करने के लिए सक्रिय घटकों की आवश्यकता होती है।” जीव विज्ञान में, इन एक्ट्यूएटर्स में साइटोस्केलेटल मोटर्स शामिल हैं जो कोशिकाओं, या सिलिया में कार्गो पुटिकाओं को स्थानांतरित करते हैं जो तरल को मानव फेफड़ों से बाहर पंप करते हैं। जब कई एक्ट्यूएटर एक सतह पर जमा होते हैं, तो उन्हें “सक्रिय कालीन” के रूप में जाना जाता है। साथ में, वे प्रसार को अधिक कुशल बनाने में मदद करने के लिए ऊर्जा को एक प्रणाली में इंजेक्ट कर सकते हैं।

मैथिजसेन, जिनके अनुसंधान समूह ने रोगजनकों के भौतिकी का अध्ययन किया, पहले इस विषय में रुचि रखते थे, जबकि फ्रांसिसका गुज़मैन-लास्ट्रा के साथ बायोफिल्म का अध्ययन करते थे, जो सक्रिय पदार्थ की भौतिकी के विशेषज्ञ थे, और सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी हार्टटूट लोवेन थे। बायोफ़िल्म्स सक्रिय कालीनों का एक और उदाहरण हैं क्योंकि वे अपने प्रवाह को “प्रवाह” बनाने के लिए उपयोग करते हैं जो अपने वातावरण से तरल और पोषक तत्वों को पंप करते हैं। विशेष रूप से, शोधकर्ताओं को यह समझने में दिलचस्पी थी कि पोषक तत्वों की पहुंच सीमित होने पर बायोफिल्म खुद को कैसे बनाए रखने में सक्षम हैं। उन्होंने कहा, ” वे प्रवाह बनाकर अपने भोजन को बढ़ा सकते हैं, लेकिन इससे ऊर्जा भी खर्च होती है। तो, सवाल यह था कि आप ऊर्जा को बाहर निकालने में कितनी ऊर्जा लगाते हैं? ” मैथिजसेन कहते हैं।

लेकिन सक्रिय कालीनों का अध्ययन करना मुश्किल है क्योंकि वे फ़िक के नियमों के साथ बड़े करीने से संरेखित नहीं करते हैं, इसलिए शोधकर्ताओं को इन गैर-संतुलन प्रणालियों, या ऊर्जा को जोड़ने वाले लोगों में प्रसार को समझने का एक तरीका विकसित करने की आवश्यकता है। “हमने सोचा कि हम इन कानूनों को बढ़ाया प्रसार के लिए सामान्य कर सकते हैं, जब आपके पास सिस्टम हैं जो फ़िक के नियमों का पालन नहीं करते हैं, लेकिन फिर भी एक सरल सूत्र का पालन कर सकते हैं जो इन सक्रिय प्रणालियों में से कई के लिए व्यापक रूप से लागू है,” Mathijssen कहते हैं।

यह पता लगाने के बाद कि गणित को बैक्टीरिया की गतिशीलता और फिक के नियमों दोनों को समझने के लिए आवश्यक कैसे कनेक्ट किया जाए, शोधकर्ताओं ने स्टोक्स-आइंस्टीन समीकरण के समान एक मॉडल विकसित किया, जो तापमान और प्रसार के साथ संबंध का वर्णन करता है, और पाया कि सूक्ष्म उतार-चढ़ाव परिवर्तनों को समझा सकते हैं जो वे बदलावों की व्याख्या कर सकते हैं कण प्रसार में देखा। अपने नए मॉडल का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि इन छोटे आंदोलनों द्वारा उत्पन्न प्रसार अविश्वसनीय रूप से कुशल है, जिससे बैक्टीरिया को बड़ी मात्रा में भोजन प्राप्त करने के लिए बस थोड़ी मात्रा में ऊर्जा का उपयोग करने की अनुमति मिलती है।

“हमने अब एक सिद्धांत निकाला है जो कोशिकाओं के अंदर या सक्रिय सतहों के करीब अणुओं के परिवहन की भविष्यवाणी करता है। मेरा सपना यह होगा कि इन सिद्धांतों को विभिन्न जैव-भौतिकीय सेटिंग्स में लागू किया जाएगा। पेन की उनकी नई शोध प्रयोगशाला इन नए मॉडलों का परीक्षण करने के लिए अनुवर्ती प्रयोगों पर काम करना शुरू कर देगी। वे जैविक और इंजीनियर सूक्ष्म दोनों प्रणालियों में सक्रिय प्रसार का अध्ययन करने की योजना बनाते हैं।

मैथिजसेन, जो कि प्रसार से संबंधित एक परियोजना पर भी शामिल है COVID-19 खाद्य प्रसंस्करण सुविधाओं में, कहते हैं कि फेफड़ों में सिलिया जीव विज्ञान में सक्रिय कालीनों का एक और महत्वपूर्ण उदाहरण है, खासकर जब से वे COVID-19 जैसे रोगजनकों के खिलाफ रक्षा की पहली पंक्ति के रूप में काम करते हैं। वह कहते हैं, “यह परीक्षण करने के लिए एक और बहुत महत्वपूर्ण बात होगी, क्या सक्रिय कालीनों के इस सिद्धांत को वायुमार्ग में रोगज़नक़ निकासी के सिद्धांत से जोड़ा जा सकता है।”

संदर्भ: फ्रांसिस्का गुज़मैन-लास्ट्रा, हार्टमुट लोवेन और अर्नोल्ड जेटीएम मैथिज्सेन द्वारा 26 मार्च, 2121 तक “सक्रिय कालीन गैर-संतुलन प्रसार और बढ़ाया आणविक प्रवाह”। प्रकृति संचार
DOI: 10.1038 / s41467-021-22029-y

अर्नोल्ड मैथिजसेन पेन्सिलवेनिया विश्वविद्यालय में स्कूल ऑफ आर्ट्स एंड साइंसेज में भौतिकी और खगोल विज्ञान विभाग में एक सहायक प्रोफेसर हैं।

इस शोध को यूनाइटेड स्टेट्स डिपार्टमेंट ऑफ एग्रीकल्चर (यूएसडीए-एनआईएफए एएफआरआई अनुदान 2020-67017-30776 और 2020-67015-32330) और ह्यूमन फ्रंटियर साइंस प्रोग्राम फैलोशिप LT001670 / 2017 और अमेरिकन फिजिकल सोसाइटी से एक अंतर्राष्ट्रीय रिसर्च ट्रैवल अवार्ड द्वारा समर्थित किया गया था।

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