Forskare vid Tekniska universitetet i Dresden har genomfört experiment på humana celler som tyder på att befintliga termodynamiska lagar inte fullt ut fångar obalansen i levande system. Deras resultat pekar på behovet av en ny lag anpassad för biologiska processer. Studien belyser skillnader mellan levande och icke-levande system genom analys av membranfluktuationer.
Termodynamikens lagar ger verktyg för att mäta hur långt system avviker från jämvikt, men de är otillräckliga för de intrikata dynamikerna i levande celler, enligt en ny studie. Forskare N Narinder och Elisabeth Fischer-Friedrich vid Tekniska universitetet i Dresden i Tyskland undersökte denna lucka med HeLa-celler, en linje av cancerceller som härstammar utan samtycke från Henrietta Lacks på 1950-talet.
I sina experiment stoppade teamet celldelning halvvägs med kemikalier och använde ett atomkraftmikroskop för att undersöka cellernas yttre membran. Detta möjliggjorde exakt mätning av membranfluktuationer — hur mycket mikroskoptippen rörde sig — och hur dessa förändrades när processer som molekylomvandling eller proteinrörelse stördes. Resultaten visade att en standardtermodynamisk ansats, inklusive konceptet 'effektiv temperatur', inte beskrev dessa beteenden korrekt i levande celler, till skillnad från icke-levande system.
Istället identifierade forskarna 'tidsomkastningsasymmetri' som ett mer effektivt mått på obalans. Denna egenskap bedömer hur mycket en biologisk process, som molekyler som upprepat kopplas samman och splittras, skulle skilja sig åt om den vändes i tiden. 'Tidsomkastningsasymmetrins närvaro kan vara direkt relaterad till det faktum att biologiska processer tjänar ett syfte som överlevnad och proliferation', säger Fischer-Friedrich.
Experter har välkomnat arbetet. 'Vi vet inom biologin att det finns många processer som verkligen är beroende av att ett system är ur jämvikt, men det är faktiskt viktigt att veta hur långt ett system är från jämvikt', säger Chase Broedersz vid Vrije Universiteit Amsterdam i Nederländerna. Yair Shokef vid Tel Aviv University i Israel kallade det ett viktigt steg för att förstå aktiva biologiska system, och noterade nyheten i att mäta flera icke-jämviktsindikatorer samtidigt.
Fischer-Friedrichs team siktar på att härleda en fjärde termodynamisk lag som endast gäller levande materia, som har interna 'inställnings punkter' som biologiska termostater. De söker nu fysiologiska observerbara i celler för att stödja denna utveckling. Studien publiceras i Physical Review X.