Erste Heatmap für einzelne rote Blutkörperchen

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Forscher messen Wärmestrom: von aktiven Stoffwechselkräften in der Zelle bis zur flimmernden Zellmembran

KI-generiertes Bild, das rote Blutkörperchen bei der Entropieproduktion (Wärmefl
KI-generiertes Bild, das rote Blutkörperchen bei der Entropieproduktion (Wärmefluss) zeigt Foto: KI-generiertes Bild der Universität Complutense Madrid

Entropie wird oft mit Unordnung und Chaos assoziiert, aber in der Biologie steht sie im Zusammenhang mit der Energieeffizienz und ist eng mit dem Stoffwechsel verbunden, der Reihe chemischer Reaktionen, die das Leben erhalten. Diese Forschung wurde von den Universitäten Barcelona und Padua geleitet, unter Beteiligung der Universität Göttingen sowie der Universitäten Complutense und Francisco de Vitoria in Madrid. Das internationale Forscherteam hat eine neuartige Methode zur Messung der Entropieproduktion auf der Skala eines Nanometers, d. h. eines Milliardstels eines Meters, entwickelt. Der neue Ansatz ermöglichte es den Wissenschaftlern, den Wärmefluss, die so genannte Entropieproduktionsrate, einzelner roter Blutkörperchen zu messen. Die Forschungsergebnisse wurden in Science veröffentlicht.

Die Forscher verwendeten eine neue Methode, um den Wärmefluss der aktiven Stoffwechselkräfte im Inneren der roten Blutkörperchen zu messen, indem sie die zunehmende Entropie durch einfache Beobachtung der kontinuierlichen und unregelmäßigen Fluktuationen der Membran der roten Blutkörperchen quantifizierten. Um sicherzustellen, dass dieser Ansatz funktioniert, haben die Forscher auch komplexere Ansätze entwickelt, bei denen kleine, mikrometergroße Partikel auf die Membran geklebt wurden, mit denen nicht nur die Fluktuationen der Membran gemessen, sondern auch winzige Kräfte ausgeübt werden können, die durch einfache Beleuchtung der Partikel mit Licht erzeugt werden. Solche kolloidalen Partikel - kleine feste Teilchen, die in einer flüssigen Phase suspendiert sind - eignen sich hervorragend, um die Bewegung der Membran lebender Zellen zu messen und auch zu manipulieren. Für ihre Berechnungen mit echten roten Blutkörperchen verwendeten die Forscher experimentelle Ansätze, die auf direkter optischer Manipulation der Membran, aber auch auf optischer Abtastung und ultraschneller Live-Imaging-Mikroskopie basieren. Die Forscher der Universität Göttingen trugen mit empfindlichen und präzisen Experimenten dazu bei: -Wir haben ein Experiment entwickelt, bei dem wir die Zellen mit Photonen, also mit Licht, so sanft halten, dass der empfindliche Wärmefluss durch das Licht nicht gestört wird, aber dennoch stark genug ist, um seine Auswirkungen zu messen", sagt Professor Timo Betz vom Institut für Biophysik in Göttingen.

-Wärme ist ein Symptom für die Gesundheit von Zellen, und diese Erkenntnis könnte neue Wege zur Bestimmung der Gewebegesundheit eröffnen", erklärt der leitende Forscher Professor Felix Ritort vom Institut für Nanowissenschaften und Nanotechnologie der Universität Barcelona. Er fügt hinzu: "Die Charakterisierung der Entropieproduktion in lebenden Systemen ist entscheidend für das Verständnis der Effizienz von Energieumwandlungsprozessen.

Das Interesse an der Messung der Entropieproduktion in physikalischen und biologischen Systemen ist groß, weil sie für so viele andere Systeme relevant ist. -Dieser Durchbruch hat weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis von Stoffwechsel und Energietransport in lebenden Systemen", sagt Timo Betz. -Darüber hinaus könnten sich diese Erkenntnisse als nützlich für Anwendungen in Gesundheit und Medizin erweisen oder den Weg zur Entwicklung neuer intelligenter Materialien weisen, die eine kontrollierte Entropieproduktionsrate ausnutzen, um auf kleine äußere Reize zu reagieren.

Ursprüngliche Veröffentlichung: Di Terlizzi et al-Varianz-Summen-Regel für die Entropieproduktion-. Wissenschaft 2024. DOI: 10.1126/science.adh1823