1P03B07330

Streszczenie projektu: Fizyka inspirowana biologią ruch nanoobiektow w płynach
złożonych
Projekt badań został zainspirowany przez następującą obserwację z biofizyki: wnętrze
żywej komórki można określić jako płyn złożony z dużą liczbą różnych nano i mikroobiektów poruszających się w zatłoczonej przestrzeni. Jeżeli użyjemy materiału
biologicznego i zbadamy jego lepkość w skali makroskopowej, używając do tego typowych
reometrów, to okaże się, że w żaden sposób nie jesteśmy w stanie dopasować tej lepkości do
wzoru Stokesa-Einsteina wiążącego współczynnik dyfuzji protein (nano-obiektów) w
komórce, z lepkością materiału komórkowego i ich promieniem hydrodynamicznym. Oznacza
to, że współczynnik lepkości zależy od struktury płynu oraz od rozmiarów obiektu, który się
w tym płynie porusza. Stawiamy pytanie: Przy jakich rozmiarach dyfundujących obiektów
lepkość mikroskopowa pokryje się z lepkością makroskopową?
Jako paradygmat płynu złożonego użyjemy roztworu wodnego surfaktantu (substancji
powierzchniowo czynnej). W takim roztworze surfaktanty agregują tworząc micele o
kształcie kuli, cylindra, lub płaszczyzny (elastycznej warstwy surfaktantu). Przy dużych
stężeniach (40% zajętej objętości) micele porządkują się prowadząc do powstania struktur
uporządkowanych: fazy lamelarnej (z płaszczyznami ułożonymi w sposób periodyczny), fazy
heksagonalnej (z cylindrami ułożonymi równolegle i tworzącymi w przekroju sieć
heksagonalną) oraz faz kubicznych (uporządkowanie kulistych miceli w sieć n.p. bcc, lub
warstwami tworzącymi struktury dwuciągłe). Fazy uporządkowane wykazują własności
lepko-elastyczne tzn. płyną nawet przy niedużym naprężeniu. Płyny złożone mają także inną
nazwę: miękka materia. W 1991 roku Pierre Gilles de Gennes otrzymał nagrodę Nobla za
wprowadzenie miękkiej materii do domeny badań fizyki.
Użyjemy protein jako nano-obiektów oraz lateksowych kuleczek jako mikroobiektów. Rozmiary protein zmieniają się od nanometrów do dziesiątek nanometrów a
kuleczki lateksowe/polistyrenowych wytwarza się o rozmiarach od dziesiątek nanometrów do
dziesiątek mikrometrów. Do obserwacji struktury i zbadania diagramu fazowego płynu
użyjemy mikroskopu optycznego z polaryzatorami oraz aparaturą do dynamicznego
rozpraszania światła. W celu wyznaczenia dyfuzji tych obiektów użyjemy mikroskopii
konfokalnej z analizą korelacji fluorescencji, dynamicznego rozpraszania światła oraz
elektroforezy kapilarnej.
Trzy dobrze sprecyzowane zadania składają się na program badawczy:
I. przebadanie struktury oraz zjawisk zachodzących w roztworach surfaktantów z
dodatkiem polimerów i protein
II. wyznaczenie współczynnika dyfuzji w roztworach wodnych surfaktantów dla
obiektów różniących się rozmiarami (przewidujemy użycie fluorescencyjnie
znakowanych protein o rozmiarach od 2 nm do 10 nm, oraz znakowanych
kuleczek lateksowych/polistyrenowych o rozmiarach od 20 nm w górę) oraz
pokazanie, w jakiej skali lepkość mikroskopowa wyznaczona ze wzoru
Stokesa-Einsteina pokrywa się z lepkością makroskopową roztworu
wyznaczoną metodami tradycyjnymi
III. zastosowanie tak wyznaczonej lepkości mikroskopowej do analizy ruchu
naładowanych nano-obiektów (protein) w polu elektrycznym (elektroforeza
kapilarna) przy użyciu drabinki ładunkowej (modyfikujemy proteinę tak, by
otrzymać proteiny o tym samym promieniu hydrodynamicznym, ale różniące
się ładunkiem).
Sprawdzimy, czy lepkość wyznaczona ze wzoru Stokesa-Einsteina pokrywa się z lepkością,
jaka wynika ze wzoru Stokesa na ruch obiektu pod wpływem siły zewnętrznej. Pomimo
istnienia twierdzenia fluktuacyjno-dyssypacyjnego, może się okazać, że ruch w mikroskali nie
jest wyznaczony przez prostą dyfuzję oraz że obiekt poruszający się pod wpływem siły
zewnętrznej odczuwa własności mikroelastyczne ośrodka, w jakim się porusza. W takim
przypadku, będziemy mogli zmodyfikować nasz obraz ruchu małych obiektów w układach
miękkiej materii. Jednym z celów długoterminowych powyższego projektu jest stworzenie w
ramach naszej grupy zalążka laboratorium zajmującego się fizyką inspirowaną biologią.