Power at the Nanoscale. Speed, Strength and Efficiency in Biological Motors

Carlos Bustamante (University of California)

Many cellular processes are performed by highly specialized and evolved entities that function as molecular machines. Some of these protein machines operate cyclically converting chemical energy into mechanical work through the generation of force or torque and displacement. These machines are referred to as “molecular motors”. I will give examples of several molecular motors in the cell, as well as their classification in terms of their mode of operation. The mechanical paradigm in biology is not new; as I will show, these ideas have been around since the XVII century, but our understanding of their operation has increased enormously through the use of single molecule manipulation methods and of modern biophysical techniques such as optical tweezers. I will describe some of our recent results in the study of the DNA packaging motor of bacteriophage Phi29, including its impressive thermodynamic efficiency. This is a feature that is common to many motors of biological origin. I will then speculate about the possible origin of this energetic efficiency based on recent results about energy dissipation. I will end by describing the impressive coordination among the different parts of the packaging motor using high-spatial resolution optical tweezers.

 

Transmisión en vivo

Coloquio: Una nueva tecnología para la detección de neutrinos

Carla Bonifazi (ICAS - UNSAM)

Desarrollados y utilizados principalmente para la astronomía, los CCDs vienen mostrando un gran potencial para su utilización de experimentos que requieren bajo umbral de detección. Un ejemplo de esto es el experimento CONNIE (COherent Neutrino-Nucleus Interaction Experiment), localizado a 30 m del centro del Reactor Nuclear Angra 2 – en Brasil –, cuyo objetivo principal es la detección de la dispersión coherente entre el antineutrino y el núcleo de silicio en la forma de retroceso nuclear. Este tipo de interacción, predicha por el Modelo Standard, es a su vez un portal hacia nueva física más allá del Modelo Standard. Por este motivo, bajar aún más el umbral de detección se hace fundamental, y esto es posible gracias la novedosa tecnología Skipper-CCD que logra ruidos de lectura sub-electrónicos. En esta charla voy a discutir sobre el principio de funcionamiento y el estado del desarrollo de estos tipos de detectores, así como también sobre los resultados obtenidos por el experimento CONNIE y su potencial con la instalación de Skipper-CCDs que estamos realizando. Finalmente discutiré los planes futuros que proponen la construcción de un nuevo experimento con esta nueva tecnologia y que pueda ser instalada en una región mas cercana al centro de un reactor de forma tal que el flujo de neutrinos aumente significativamente (experimento vIOLETA).

Transmisión en vivo 

Coloquio - Gustavo Otero y Garzón - Búsqueda de materia oscura con datos en tiempo real en el LHC

Jueves 26 de noviembre 2020 a las 14hs
Coloquio del Departamento de Física - Exactas - UBA
Búsqueda de materia oscura con datos en tiempo real en el LHC.
Gustavo Otero y Garzón
Departamento e Instituto de Física de Buenos Aires, UBA-CONICET
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) colisiona protones 40 millones de veces por segundo proveyendo de una enorme cantidad de información a sus experimentos. El sistema de trigger del experimento ATLAS analiza parcialmente esta información y toma la decisión de almacenar o no estos eventos en una escala de tiempos del orden del milisegundo para su análisis posterior. En este coloquio voy a presentar una novedosa técnica para exprimir la información provista por el LHC realizando análisis "en tiempo real". En particular, para explorar nuevas regiones difícilmente accesibles por análisis "convencionales" para intentar echar luz sobre uno de los interrogantes más relevantes en la física de partículas a altas energías: la búsqueda de materia oscura.
Asistí via youtube: https://youtu.be/H8TJ7xOpUlE

 

Coloquio - Karen Hallberg - Fenómenos emergentes y complejidad en la materia condensada

Jueves 19 de noviembre 2020 a las 14hs
Coloquio del Departamento de Física - Exactas - UBA
Fenómenos emergentes y complejidad en la materia condensada
Karen Hallberg, Instituto Balseiro

Cuando se combinan átomos para formar un sólido, pueden surgir nuevos fenómenos físicos que no son predichos por el conocimiento de las propiedades físicas de los componentes individuales. Esto es conocido como comportamiento emergente y significa que el todo es diferente a la suma de sus partes. En física, la reducción de un problema a las leyes fundamentales a una escala más pequeña no implica la validez de la metodología inversa, esto es, la reconstrucción de las leyes de la física a escalas mayores a partir de leyes más fundamentales.
Esto es particularmente relevante en materiales con electrones fuertemente interactuantes en los que la física de muchos cuerpos juega un rol fundamental y que muestran fenómenos emergentes muy interesantes como la superconductividad, la magnetorresistencia colosal, las transiciones metal aislante, el magnetismo, entre otros.
Debido a la enorme cantidad de variables y de estados involucrados, estos sistemas se encuentran entre los que presentan los problemas más complejos de la fisica y para los cuales se vuelve necesario recurrir a técnicas computacionales que optimicen la información. Para esto hemos desarrollado herramientas numéricas muy precisas basadas en conceptos de informacion cuántica que permiten extraer los estados más relevantes. Presentaré algunos ejemplos de estos fenómenos y resultados recientes obtenidos con estas técnicas.
Asistí via youtube: https://youtu.be/3-2GPbbOyqY

Coloquio - Natalia Ares - Dispositivos cuánticos al límite, termodinámica e inteligencia artificial

Jueves 12 de noviembre 2020 a las 14hs
Coloquio del Departamento de Física - Exactas - UBA
Dispositivos cuánticos al límite, termodinámica e inteligencia artificial
Natalia Ares, University of Oxford, UK

A medida que miniaturizamos dispositivos para alcanzar el régimen cuántico, surge la necesidad de testear las leyes de la termodinámica en un nuevo escenario, en el que las fluctuaciones y los efectos cuánticos juegan un rol muy importante. Haciendo uso de circuitos optomecánicos, podemos explorar la termodinámica de dispositivos semiconductores a escalas nanométricas. De esta manera medimos el costo termodinámico de registrar el paso del tiempo [1].

Para construir motores cuánticos en los que los recursos termodinámicos puedan ser cuantificados, podemos combinar grados de libertad mecánicos y electrónicos. Dispositivos basados en nanotubos de carbono nos permiten controlar estos grados de libertad con mucha precisión [2,3]. Con estos dispositivos mostramos que el transporte de un electrón puede excitar vibraciones en el nanotubo [4]. Analizaré la manera en que estos experimentos pueden extenderse para estudiar motores en los que el gas es uno o dos electrones y el pistón es el movimiento del nanotubo.

Otra consecuencia de la miniaturización de dispositivos es su variabilidad. Pequeñas diferencias en la fabricación y defectos en los materiales son suficientes para que cada dispositivo necesite calibración y una caracterización detallada. Estas tareas se vuelven imposibles a medida que el número y la complejidad de los dispositivos cuánticos que utilizamos crece. Mostraré algoritmos de inteligencia artificial capaces de caracterizar y calibrar dispositivos cuánticos de manera completamente automática y aún más eficientemente que los expertos [5-8].
Asistí via youtube: https://youtu.be/N9dA85DpftA
Referencias
[1] Pearson et al. arXiv:2006.08670
[2] Ares et al. Physical Review Letters 117, 170801 (2016)
[3] Wen et al. Applied Physics Letters 113, 153101 (2018)
[4] Wen et al. Nature Physics 16, 75 (2020)
[5] Lennon et al. npj Quantum Information 5, 79 (2019)
[6] Moon et al. Nature Communications 11, 4161 (2020)
[7] van Esbroeck et al. New Journal of Physics 22, 095003 (2020)
[8] Nguyen et al. arXiv:2009.14825
  1. Coloquio - Diego Lamas - Rosalind Franklin: una cristalógrafa pionera
  2. Coloquio - M. G. Del Pópolo - Fundamentos Físicos de la Internalización Celular de Nanopartículas
  3. Coloquio - Ana Amador - Modelos de baja dimensión y experimentos electrofisiológicos para estudiar la dinámica neuronal en aves canoras
  4. Coloquio Nobel 2020 - Agujeros negros supermasivos - por Gaston Giribet

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