Erin McCarthy ’23, physique summa cum laude, est une rareté parmi les jeunes scientifiques. En tant que chercheuse de premier cycle au département de physique du Collège des arts et des sciences de l’Université de Syracuse, elle a dirigé une étude qui apparu en mars 2024 à Lettres d’examen physique. Il s’agit de la revue de lettres en physique la plus citée et de la huitième revue scientifique la plus citée en général.
McCarthy et ses associés postdoctoraux Raj Kumar Manna et Ojan Damavandi ont développé un modèle qui a identifié un comportement collectif inattendu parmi les particules informatiques avec des implications pour la future recherche médicale fondamentale et la bio-ingénierie.
« Il est très difficile de faire entrer un journal Lettres d’examen physique« , a déclaré M. Lisa Manning, co-auteur et professeur de physique William R. Kenan, Jr. ainsi que directeur fondateur du BioInspired Institute de l’Université de Syracuse. « Vos pairs scientifiques doivent le juger exceptionnel. »
McCarthy, originaire du New Jersey, a choisi Syracuse en raison de son « énorme énergie », a-t-elle déclaré. « Le côté éducation et recherche était incroyable. Je suis arrivé avec l’intention d’étudier la physique et d’être prémédical. J’aimais la physique et la biologie et je voulais m’impliquer dans les soins de santé et la médecine. Et j’ai eu la chance de rencontrer Le Dr Manning en première année, et elle m’a initié à la biophysique computationnelle. J’ai commencé la recherche au cours de ma première année, ce qui est extrêmement inhabituel.
« Erin a appris le codage à partir de zéro, puis a fait des heures et des heures de simulations, ce qui a demandé beaucoup de persévérance », a déclaré Manning. « C’est tout simplement un témoignage fantastique de son éthique de travail et de son génie que cet article soit paru dans une revue aussi prestigieuse. »
L’équipe de recherche a utilisé la modélisation de la physique computationnelle pour comprendre les mécanismes sous-jacents qui amènent les particules à se trier spontanément en différents groupes.
Apprendre comment les particules se comportent dans les modèles physiques pourrait donner un aperçu de la façon dont les particules biologiques vivantes (cellules, protéines et enzymes) se remixent au cours du développement.
Dans les premiers stades d’un embryon, par exemple, les cellules naissent dans des mélanges hétérogènes. Les cellules doivent s’auto-trier en différents compartiments pour former des tissus homogènes distincts. Il s’agit de l’un des comportements cellulaires collectifs majeurs à l’œuvre lors du développement des tissus et organes et de la régénération des organes.
« Les cellules doivent être capables de s’organiser correctement et de se séparer pour faire leur travail », a déclaré McCarthy. « Nous voulions comprendre, si l’on éloigne la chimie et s’intéresse strictement à la physique, quels sont les mécanismes par lesquels cette réorganisation peut se produire spontanément ? »
Des recherches physiques antérieures ont montré que les particules se séparent lorsque certaines reçoivent une secousse de température plus élevée. Lorsqu’une population de particules reçoit une injection d’énergie à petite échelle, elle devient active – ou « chaude » – tandis que l’autre population reste inactive, ou « froide ». Cette différence de chaleur provoque une réorganisation entre les deux populations. Ces modèles sont des versions simplifiées de systèmes biologiques, utilisant la température pour se rapprocher de l’énergie et du mouvement cellulaires.
« Les particules chaudes écartent les particules froides afin qu’elles puissent occuper un espace plus grand », a déclaré le co-auteur Manna. « Mais cela ne se produit que lorsqu’il existe un espace entre les particules. »
Une modélisation précédente a identifié le comportement des particules d’auto-tri à des densités intermédiaires moins denses.
Mais l’équipe de Syracuse a trouvé quelque chose de surprenant. Après avoir injecté de l’énergie dans une population de particules à haute densité, les particules chaudes n’ont pas bousculé les particules froides. Les particules chaudes manquaient d’espace pour le faire.
C’est important car les particules biologiques – les protéines des cellules et les cellules des tissus – vivent généralement dans des espaces restreints et surpeuplés.
« Votre peau, par exemple, est un environnement très dense », a déclaré McCarthy. « Les cellules sont si serrées les unes contre les autres qu’il n’y a aucun espace entre elles. Si nous voulons appliquer ces découvertes physiques à la biologie, nous devons examiner les densités élevées pour que nos modèles soient applicables. Mais à des densités très élevées, la différence d’activité entre deux les populations ne les font pas trier.
Il doit y avoir un autre mécanisme d’auto-tri en jeu en biologie. « La température ou l’injection active d’énergie ne sépare pas toujours les choses, vous ne pouvez donc pas les utiliser en biologie », a déclaré Manning. « Vous devez chercher un autre mécanisme. »
Pour Manning, cette étude illustre les atouts de l’Université de Syracuse. « Le fait qu’un étudiant de premier cycle ait dirigé cette recherche témoigne de la qualité exceptionnelle des étudiants que nous avons à l’Université de Syracuse, qui sont aussi bons que ceux du monde entier, et du caractère exceptionnel d’Erin elle-même », a déclaré Manning.
Manna, le mentor postdoctoral de la dernière partie du projet de McCarthy, a joué un rôle essentiel dans sa conclusion. « L’étude n’aurait pas eu lieu sans lui », a déclaré Manning. « Cela démontre que nous sommes en mesure de recruter des associés postdoctoraux exceptionnels à Syracuse parce que nous sommes une excellente université de recherche. » Manna est maintenant chercheuse postdoctorale au département de physique de la Northeastern University.
McCarthy, technologue de recherche dans un laboratoire de biologie de la faculté de médecine de l’Université Northwestern, envisage de commencer à postuler pour des études supérieures.
« À Syracuse », a déclaré McCarthy, « j’ai appris à quel point j’aime la recherche et que je veux qu’elle fasse partie de mon avenir. »
Plus d’information:
Erin McCarthy et al, Démixtion dans des mélanges binaires avec diffusion différentielle à haute densité, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.098301