Морфологические переходы биологических филаментов в потоке
Исследование сложных суспензий, состоящих из частиц, взвешенных в простой жидкости, активно развивается и открывает возможности для промышленности и технологий "лаборатория-на-чипе". Макроскопические реологические свойства таких суспензий зависят от природы взвешенных микрочастиц (например, их размера или гибкости) и остаются малоизученными. Эти свойства напрямую определяются микроскопическим взаимодействием между вязким потоком и частицами. Исследователи из ESPCI Paris совместно с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего изучили динамику микроскопического гибкого филамента в потоке. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Научная группа PMMH-ESPCI Paris под руководством Анке Линднер и Оливии дю Рур разработала модельный эксперимент, сочетающий микрофлюидику и меченные флуоресценцией актиновые филаменты — биологический полимер. В клетке этот белок собирается в филаменты, придавая клетке форму, целостность и способность к миграции. После очистки, флуоресцентной метки и повторной сборки in vitro эти актиновые филаменты представляют собой идеально контролируемую модель гибких, микроскопических и броуновских филаментов. Эксперимент PMMH использует точный контроль потока в микрофлюидных устройствах для отслеживания каждого актинового филамента в строго определённых условиях.
Учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего провели численное моделирование, учитывающее вязкие силы, силы упругого восстановления и броуновские флуктуации. Результаты моделирования и эксперимента идеально совпали.
Исследование выявило существование трёх типов морфологии филамента в потоке в зависимости от его длины (определяющей гибкость) и скорости потока:
- Короткий филамент, медленный поток: филамент остаётся недеформированным и вращается, переносимый потоком.
- Большая длина и скорость потока: филамент деформируется при вращении и изгибается, принимая С-образную форму. Этот переход соответствует инстанции изгиба (buckling instability).
- Ещё большие значения: появляется третий режим, в котором филамент изгибается в движении, напоминающем гусеницу танка (tank treading), но остаётся выровненным по потоку.
Переходы между режимами характеризуются порогом, который количественно описывается управляющим параметром, сочетающим гибкость филамента и силу потока. Броуновские флуктуации оказывают незначительное влияние и в основном лишь "размывают" границы переходов.
Тесное сотрудничество экспериментальной и численной команд привело к первой полной характеристике различных морфологий и переходов между ними. Соавтор работы Анке Линднер поясняет: "Изучение микроскопического поведения гибких филаментов — это первый шаг к пониманию и объяснению свойств суспензии из гибких волокон на макроскопическом уровне".