Description du projet
La nanotechnologie dévoile la thermodynamique de l’activité microscopique
Les cellules vivantes contiennent des protéines motrices qui sont responsables des fonctions biologiques clés, notamment le transport de fret intracellulaire et la division cellulaire. Les protéines motrices convertissent l’énergie chimique en mouvement mécanique, mais on sait peu de choses sur la thermodynamique de ces processus et sur la quantité d’énergie perdue par dissipation. L’objectif principal du projet NanoNonEq, financé par l’UE, consiste à relever les défis conceptuels associés à la mesure de la dynamique stochastique de ces processus biologiques. Les chercheurs développeront des nanocapteurs fluorescents qui leur permettront de détecter l’activité microscopique des protéines motrices. Ces nanocapteurs seront fonctionnalisés pour être utilisés dans des modèles biomimétiques de systèmes biologiques et de cellules vivantes afin de déduire des informations quantitatives sur la dissipation.
Objectif
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.
Champ scientifique (EuroSciVoc)
CORDIS classe les projets avec EuroSciVoc, une taxonomie multilingue des domaines scientifiques, grâce à un processus semi-automatique basé sur des techniques TLN. La classification de ce projet a été validée par l’équipe qui en a la charge.
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Mots‑clés
Programme(s)
- HORIZON.1.1 - European Research Council (ERC) Main Programme
Thème(s)
Appel à propositions
(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) ERC-2021-STG
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69978 Tel Aviv
Israël