Projektbeschreibung
Nanotechnologie enthüllt die Thermodynamik der mikroskopischen Aktivität
Lebende Zellen enthalten Motorproteine, die für wichtige biologische Funktionen wie etwa den intrazellulären Stofftransport und die Zellteilung verantwortlich sind. Motorproteine wandeln chemische Energie in mechanische Bewegung um, aber über die Thermodynamik dieser Prozesse und die Menge der Energieverluste durch Dissipation ist bisher nur wenig bekannt. Das Hauptziel des EU-finanzierten Projekts NanoNonEq lautet, die mit der Messung der stochastischen Dynamik derartiger biologischer Prozesse verbundenen konzeptionellen Herausforderungen zu meistern. Die Forschenden werden fluoreszierende Nanosensoren entwickeln, mit denen sie die mikroskopische Aktivität von Motorproteinen nachweisen können. Diese Nanosensoren werden derart funktionalisiert, dass sie innerhalb biomimetischer Modelle biologischer Systeme und lebender Zellen Schlussfolgerungen auf quantitative Informationen über die Dissipation zulassen.
Ziel
At the core of far-from-equilibrium biological activity lies an orchestra of molecular motors, constantly dissipating energy while converting chemical fuel into mechanical work. Estimating the amount of the free energy budget lost to dissipation is crucial for a deeper understanding of the underlying nonequilibrium dynamics and for unravelling the thermodynamic constraints on the possible biological processes. Although there are theoretical tools for quantifying nonequilibrium activity and dissipation in the framework of stochastic thermodynamics, there is a gap between these analytical calculations and their experimental applicability. The difficulty stems from the limited accessibility to the myriad degrees of freedom of complex systems and the finite measurement resolution, which can mask the footprints of nonequilibrium dynamics, such that they may appear as passive thermal fluctuations.
I will address this challenge both experimentally and theoretically. In my lab, I will develop fluorescent nanosensors for unveiling microscopic activity otherwise inaccessible in complex biological systems. Fluorescent single-walled carbon nanotubes with tailored functionalization will transduce molecular-motor activity to a modulation of the emitted fluorescence, providing a novel degree of freedom never before exploited as a phase-space coordinate for inferring dissipation in nonequilibrium systems. I will incorporate the nanotube sensors in minimal biomimetic models of active systems, including DNA-gel and reconstituted cytoskeleton driven by molecular motors, to demonstrate my approach in a highly controlled environment. Further, I will internalize the nanotubes within live cells, and utilize the fluorescence signal to estimate the dissipation in nonequilibrium intracellular organization. In parallel, I will advance theoretical tools for estimating the dissipation from experimental data, based on an approach I have pioneered for detecting time-irreversibility.
Wissenschaftliches Gebiet (EuroSciVoc)
CORDIS klassifiziert Projekte mit EuroSciVoc, einer mehrsprachigen Taxonomie der Wissenschaftsbereiche, durch einen halbautomatischen Prozess, der auf Verfahren der Verarbeitung natürlicher Sprache beruht. Das Projektteam hat die Klassifizierung dieses Projekts bestätigt.
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Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
- HORIZON.1.1 - European Research Council (ERC) Main Programme
Thema/Themen
Aufforderung zur Vorschlagseinreichung
(öffnet in neuem Fenster) ERC-2021-STG
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