Температурная зависимость диффузии ГНС в живых и мертвых кишечных палочках. (а), (б) МСД HNS в (а) живой и (б) мертвой E. coli при разных температурах. Пунктирные линии представляют собой аппроксимированные кривые с использованием MSD=4Dτ α . Столбики погрешностей представляют собой стандартные ошибки средних значений (SEM). (в) Зависимость обобщенного коэффициента диффузии белков ГНС в живых (зеленые кружки) и мертвых (красные квадраты) E. coli. Столбики погрешностей обозначают ошибки подбора. Красные пунктирные линии соответствуют линейным уравнениям, а черные пунктирные линии соответствуют уравнению Аррениуса. Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.018101

Работая с белками в живых бактериях, Йонг Ван, доцент Колледжа искусств и наук Фулбрайта, проверил уравнение 117-летней давности, которое предоставило доказательства реальности атомов и молекул. Он обнаружил, что знаменитое уравнение остается в силе для объяснения того, как молекулы движутся внутри бактерий.

«Бактериальная цитоплазма — это не простой суп, — сказал Ван. «Наше исследование показало, что это может быть больше похоже на спагетти с томатным соусом и фрикадельками».

Цитоплазма представляет собой переполненный и сложный материал внутри бактерий. Он имеет высокую концентрацию крупных биологических молекул, включая миллионы белков, углеводов и солей, а также всевозможных полимеров и нитей, таких как ДНК и РНК.

Ван обнаружил, что, хотя уравнение Эйнштейна не соответствует движению белков внутри живых бактерий, оно остается верным, принимая во внимание запутанные полимеры и нити внутри бактерий.

Так называемое соотношение Эйнштейна, также называемое уравнением Стокса-Эйнштейна, является одним из главных научных достижений Эйнштейна в его «год чудес» 1905 года. Объясняя подвижность частиц в жидкости, уравнение было охарактеризовано как стохастическая модель для Броуновского движения, означающее, что частицы движутся случайным образом из-за столкновений с окружающими молекулами. Что наиболее важно, теория предоставила ранние эмпирические доказательства реальности атомов и молекул.

Однако за последние два десятилетия ученые поставили под сомнение обоснованность теории, поскольку она применима к тому, что находится внутри живых клеток и бактерий. Исследование Вана дополняет эту совокупность знаний, помогая разрешить текущий спор.

Что еще более важно, он обеспечивает основу для оценки механических свойств клеток и бактерий на основе соотношения Эйнштейна. Это должно помочь ученым понять устойчивость определенных микроорганизмов к антибиотикам и механические свойства раковых клеток, которые отличаются от механических свойств нормальных здоровых клеток.

Над этим исследованием, которое было опубликовано в журнале Physical Review Letters , Ван работал с Лин Оливером, профессором и заведующим кафедрой физики, и Асмаа Садуном, докторантом программы микроэлектроники-фотоники.