Difusión en sistemas confinados.
En medios macrohomogéneos, una descripción universal de una partícula browniana insesgada viene dada por el coeficiente de difusión libre, . Esta descripción de grano grueso es aplicable en tiempos suficientemente largos cuando el desplazamiento de la partícula excede una escala de longitud característica asociada con la heterogeneidad del medio. Por otro lado, cuando la difusión tiene lugar en entornos microheterogéneos, una descripción en términos de un coeficiente de difusión efectivo, , puede resultar aplicable en escalas de tiempo muy largas. En ambos casos, la característica principal del desplazamiento cuadrático medio es que disminuye monótonamente de a . Uno de los tipos más simples de falta de homogeneidad es el confinamiento. La presencia de límites conduce a una desaceleración significativa del desplazamiento medio cuadrático.r /> Junto con el desarrollo de procedimientos experimentales, el problema del transporte de partículas a través de geometrías confinadas que contienen aberturas estrechas y cuellos de botella ha llevado a esfuerzos teóricos recientes para estudiar la dinámica de difusión que aparece en esas geometrías. Se ha demostrado que una descripción unidimensional eficaz de la difusión en confinamiento es una aproximación útil. En su trabajo original que data de 1855, Adolf Fick fue el primer científico en tratar la difusión en un canal de diferentes secciones transversales como unidimensional.

Estudios anteriores de Jacobs y Zwanzig impulsaron nuevas investigaciones sobre este tema. El llamado enfoque de Fick-Jacobs consiste en eliminar los grados de libertad estocásticos transversales asumiendo un equilibrio rápido en dichas direcciones. Como señaló Zwanzig, la cantidad clave que caracteriza la velocidad del transporte difusivo insesgado de partículas brownianas puntuales en sistemas cuasi unidimensionales con restricciones geométricas que varían periódicamente es la difusividad efectiva. Como resultado, se han realizado enormes esfuerzos teóricos para obtener el coeficiente de difusión dependiente de la posición,

En un intento por incluir diferentes parametrizaciones para la línea media, nuestro grupo propuso recientemente una descripción covariante de la difusión de partículas brownianas de tamaño puntual confinadas e imparciales. Con este enfoque teórico, se pueden obtener expresiones analíticas para dependiendo de los parámetros geométricos del confinamiento. En esta descripción, el marco de coordenadas se coloca en la curva del eje del tubo, utilizando el marco móvil Frenet-Serret como sistema de coordenadas. Para describir la evolución de la densidad de probabilidad de las partículas que se difunden dentro del tubo desde este marco, también encontraron una transformación que les permitió escribir las leyes de Fick en este sistema de coordenadas tubular. Para tubos y canales estrechos, utilizaron una descripción unidimensional efectiva que redujo la ecuación de difusión a una ecuación similar a la de Fick-Jacobs. A partir de esta última ecuación, pueden calcular el coeficiente de difusión efectivo aplicando las condiciones de contorno de Neumann. La expresión del coeficiente de difusión efectiva derivada depende de la posición y las derivadas del ancho y la línea media del canal. El objetivo de las teorías resumidas anteriormente es establecer una conexión entre la difusividad efectiva del sistema y los parámetros geométricos, una tarea extremadamente desafiante.

Reacciones limitadas por difusión

La teoría de las reacciones de difusión limitada se centra principalmente en la captura de partículas en difusión mediante absorbentes de formas simples, mientras que los investigadores e ingenieros a menudo tienen que lidiar con la captura mediante absorbentes de formas complejas. Los ejemplos incluyen la solidificación dendrítica de líquidos y aleaciones, el crecimiento de grupos y la gelificación cinética, el transporte a través de interfaces irregulares como electrodos, la agregación limitada por difusión y la formación de tumores. crecimiento, rendimiento de reactores químicos, etc.

Nuestro trabajo se centra en la descripción de partículas atrapadas por absorbentes de formas complejas, como parches o tiras.

Difusión con reinicio estocástico:
El "reinicio estocástico" es un mecanismo en el que una partícula browniana se restablece estocásticamente a su posición inicial a una velocidad constante, alejando así al sistema de cualquier estado de equilibrio. Por tanto, es un mecanismo simple para generar un estado estacionario de no equilibrio. “Los procesos estocásticos sujetos a reinicio aparecen en muchas disciplinas, incluidas la física, la química, la biología y la informática. El interés general en abordar problemas y su eficiencia se explica por el hecho de que dichos procesos encuentran aplicaciones en una amplia gama de campos, desde reacciones químicas o bioquímicas, procesos de difusión en una célula y problemas de búsqueda en entornos ecológicos, entre otros. El reinicio estocástico puede reducir drásticamente el tiempo de ejecución esperado de un algoritmo informático, acelerar la finalización de un proceso de búsqueda complejo o aumentar la tasa de rotación de una reacción enzimática.

Nuestro trabajo se centra en la descripción de partículas brownianas acotadas con reinicio estocástico.

Crecimiento y forma del virus.

Un paso fundamental en la replicación de una partícula viral es el autoensamblaje de su cápside rígida a partir de sus proteínas constituyentes. El tratamiento de las fuerzas físicas generalizadas que impulsan el crecimiento y la forma de los virus es particularmente desafiante debido a la amplitud de las escalas espacio-temporales y las fortalezas de las interacciones constitutivas que caracterizan el ensamblaje de los virus. A nanoescala, las interacciones mecánicas, electrostáticas y térmicas, e incluso algunas interacciones de enlaces químicos biológicamente importantes, pueden tener magnitudes comparables. Es un gran desafío comprender la compleja interacción entre las fuerzas impulsoras termodinámicas, las tensiones mecánicas y las interacciones electrostáticas de largo alcance que impulsan el ensamblaje del virus. Cabe mencionar que estos fundamentos estructurales pueden extenderse a otros complejos macromoleculares que controlan muchos procesos fundamentales en biología.

Nuestro trabajo se centra en la arquitectura básica de la cápside viral.

Grant otorgado por el NIH

Estudiantes de doctorado:

Adriana Pérez Espinosa
Ivan Pompa García
David Hernández León
Pedro Julián Salgado
Estudiantes de maestría
Jason Brandon Peña Muñoz
Juan Daniel Rivera Bautista
Posdoctorados:

Daniel Ignacio Salgado Blanco
Marco Vinicio Vázquez González
Alejandro García Chung
Inti Pineda Calderón

Doctorado (Graduados):
Guillermo Chacón Acosta

Inti Pineda Calderón
Yoshua Chávez Bolaños

Maestría (Graduados):
Pedro Julián Salgado
David Hernández León
Alejandro Juárez Toribio
Ivan Pompa García
Martín Romero Muñoz.
Valdemar Moratto González
Rosa María Milian Morales
Levy Noé Inzunza Camacho
Yoshua Chávez Bolaños
Inti Pineda Calderón
Guillermo Chacón Acosta
Estudiantes de Licenciatura (graduados):
Aarón Patrick Murphy Lorea
Alfredo Montiel Suaste
Jimena D. Hansen García
Jason Brandon Peña Muñoz
Gerardo Ehécatl Ortiz Trejo
Stephanie Migoni
Jesús Eduardo Muñoz Méndez
Juan Daniel Rivera Bautista
Jaime Torrez Juárez
David Hernández León
Alejandro Juárez Toribio
Ivan Pompa García
Miguel Alejandro Medina Armendáriz
Roberto Verdel Aranda

Descargar cv


1. Diffusion Resistance of Segmented Channels
L Dagdug, AM Berezhkovskii, SM Bezrukov
The Journal of Physical Chemistry B 127 (33), 7291-7298
2. Elliptical chemoreceptors: The key to an effective absorption

J Peña, L Dagdug AIP Conference Proceedings 2731 (1)

3. Two-dimensional diffusion biased by a transverse gravitational force in an asymmetric channel
I. Pompa-García, L Dagdug

AIP Conference Proceedings 2731 (1)

4. Permeability and diffusion resistance of porous membranes: Analytical theory and its numerical test AT Skvortsov, L Dagdug, EF Hilder, AM Berezhkovskii, SM Bezrukov The Journal of Chemical Physics 158 (5)

5. Fick–Jacobs description and first passage dynamics for diffusion in a channel under stochastic resetting S Jain, D Boyer, A Pal, L Dagdug The Journal of Chemical Physics 158 (5)

6. Trapping of single diffusing particles by a circular disk on a reflecting flat surface. Absorbing hemisphere approximation L Dagdug, AM Berezhkovskii, SM Bezrukov Physical Chemistry Chemical Physics 25 (3), 2035-2042

7. lockage coefficient of cylindrical blocker and diffusion resistance of membrane channels AT Skvortsov, L Dagdug, AM Berezhkovskii, SM Bezrukov Physics of Fluids 35 (1)

8. First-passage times in conical varying-width channels biased by a transverse gravitational force: Comparison of analytical and numerical results I Pompa-García, R Castilla, R Metzler, L Dagdug Physical Review E 106 (6), 064137

9. Blocker Effect on Diffusion Resistance of a Membrane Channel: Dependence on the Blocker Geometry L Dagdug, AT Skvortsov, AM Berezhkovskii, SM Bezrukov The Journal of Physical Chemistry B 126 (32), 6016-6025

10. Receptores elípticos de membrana: la clave para una absorción efectiva LD Jason Peña Contactos, Revista de Educación en Ciencias e Ingeniería 123, 42-57

11. Two-dimensional diffusion biased by a transverse gravitational force in an asymmetric channel: Reduction to an effective one-dimensional description I Pompa-García, L Dagdug Physical Review E 104 (4), 044118

12. Effective diffusivity of a Brownian particle in a two-dimensional periodic channel of abruptly alternating width L Dagdug, AM Berezhkovskii, VY Zitserman, SM Bezrukov Physical Review E 103 (6), 062106

13. Trapping of particles diffusing in two dimensions by a hidden binding site L Dagdug, AM Berezhkovskii, VY Zitserman, SM Bezrukov Physical Review E 103 (1), 012135

14. Evaluating diffusion resistance of a constriction in a membrane channel by the method of boundary homogenization AT Skvortsov, L Dagdug, AM Berezhkovskii, IR MacGillivray, SM Bezrukov Physical Review E 103 (1), 012408

15. First-passage, transition path, and looping times in conical varying-width channels: Comparison of analytical and numerical results A Pérez-Espinosa, M Aguilar-Cornejo, L Dagdug AIP Advances 10 (5)

16. Peculiarities of the mean transition path time dependence on the barrier height in entropy potentials AM Berezhkovskii, L Dagdug, SM Bezrukov The Journal of Physical Chemistry B 124 (12), 2305-2310

17. Biased diffusion in periodic potentials: Three types of force dependence of effective diffusivity and generalized Lifson-Jackson formula AM Berezhkovskii, L Dagdug The Journal of Chemical Physics 151 (13)

18. Two-site versus continuum diffusion model of blocker dynamics in a membrane channel: Comparative analysis of escape kinetics AM Berezhkovskii, L Dagdug, SM Bezrukov The Journal of Chemical Physics 151 (5)

19. Trapping of diffusing particles by periodic absorbing rings on a cylindrical tube DS Grebenkov, R Metzler, G Oshanin, L Dagdug, AM Berezhkovskii, ... The Journal of Chemical Physics 150 (20)

20. Steady-state flux of diffusing particles to a rough boundary formed by absorbing spikes periodically protruding from a reflecting base AT Skvortsov, AM Berezhkovskii, L Dagdug The Journal of Chemical Physics 150 (19)

21. Exact solutions for distributions of first-passage, direct-transit, and looping times in symmetric cusp potential barriers and wells AM Berezhkovskii, L Dagdug, SM Bezrukov The Journal of Physical Chemistry B 123 (17), 3786-3796

22. Trapping of diffusing particles by small absorbers localized in a spherical region AM Berezhkovskii, L Dagdug, SM Bezrukov The Journal of chemical physics 150 (6)

23. Trapping of diffusing particles by short absorbing spikes periodically protruding from reflecting base AT Skvortsov, AM Berezhkovskii, L Dagdug The Journal of Chemical Physics 149 (4)

24. Note: Diffusion-limited annihilation in cavities L Dagdug, AM Berezhkovskii, VY Zitserman The Journal of Chemical Physics 148 (24)

25. Unbiased diffusion of Brownian particles in a helical tube Y Chávez, G Chacón-Acosta, L Dagdug The Journal of Chemical Physics 148 (21)

26. Effects of curved midline and varying width on the description of the effective diffusivity of Brownian particles Y Chávez, G Chacón-Acosta, L Dagdug Journal of Physics: Condensed Matter 30 (19), 194001

27. Trapping of diffusing particles by spiky absorbers AT Skvortsov, AM Berezhkovskii, L Dagdug The Journal of Chemical Physics 148 (8)