Физики исследуют фундаментальные законы биологических материалов

Физики из Чикагского университета и Массачусетского университета в Амхерсте изучают фундаментальные физические законы, управляющие поведением клеточных материалов.

Учёные работают над созданием формализма для описания таких материалов, которые в настоящее время плохо изучены. Исследование Маргарет Гардел и Дженнифер Росс поддержано четырёхлетним грантом INSPIRE от Национального научного фонда (NSF) на сумму $800,000.

Особенность биологических материалов

  • Это живые, а не мёртвые материалы, составляющие цитоскелет клетки.
  • Они не находятся в состоянии равновесия: постоянно потребляют энергию и совершают работу.
  • Их изучение может привести к созданию новых материалов с уникальными свойствами, недоступными для равновесных систем.

Цели исследования

Учёные планируют каталогизировать фазы биологических материалов. Подобно тому, как традиционные материалы могут быть в твёрдой, жидкой или газовой фазе, биологические материалы могут иметь несколько фаз с кардинально разным поведением. Ключевыми переменными для фазовых переходов могут быть концентрация или тип белков, а не температура и давление.

Пример: контрактильность

Один из примеров фазового перехода — контрактильность (способность сокращаться). Клеткам необходимо сокращаться для движения, адгезии и генерации силы.

  • Классическая модель сокращения в скелетных и сердечных мышечных клетках, известная 60 лет, основана на упорядоченной сети белков актина и миозина.
  • Новая модель для клеток с неупорядоченной сетью актина, разработанная в лаборатории Гардел, показывает, что актин ведёт себя как верёвка: он изгибается при сжатии, но сопротивляется натяжению. Это позволяет всей сети сжиматься.

Исследование Гардел в этой области было отмечено премией Early Excellence Award от American Asthma Foundation ($450,000) для изучения сокращения в клетках мышц дыхательных путей.

Разделение исследований

  • Маргарет Гардел изучает актин («мышцы» клетки), применяя подходы физики конденсированного состояния.
  • Дженнифер Росс изучает микротрубочки («кости» клетки).

Учёные полагают, что эти системы работают согласованно, обеспечивая изменение формы клетки и её подвижность. Грант INSPIRE позволит провести строгие количественные тесты клеточных моделей и исследовать лежащую в их основе физику, поскольку существующих физических данных пока очень мало.