El orden de la vida

Actualizado: 12 nov 2020

Un nuevo modelo que describe la organización de los organismos podría conducir a una mejor comprensión de los procesos biológicos.


Las partículas de dos tipos (rojo y verde) interactúan entre sí. Mientras que las partículas del mismo tipo inevitablemente ... [más] © MPIDS / Novak, Saha, Agudo-Canalejo, Golestán

A primera vista, una manada de lobos tiene poco que ver con una vinagreta. Sin embargo, un equipo liderado por Ramin Golestanian, Director del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización, ha desarrollado un modelo que establece un vínculo entre el movimiento de depredadores y presas y la segregación de vinagre y aceite. Ampliaron un marco teórico que hasta ahora solo era válido para la materia inanimada. Además de los depredadores y las presas, ahora se pueden describir otros sistemas vivos como las enzimas o las células autoorganizadas.


El orden no siempre es evidente a primera vista. Si corrieras con una manada de lobos cazando ciervos, los movimientos parecerían desordenados. Sin embargo, si la caza se observa a vista de pájaro y durante un período de tiempo más largo, los patrones se hacen evidentes en el movimiento de los animales. En física, este comportamiento se considera ordenado. Pero, ¿cómo surge este orden? El Departamento de “Física de la materia viva” de Ramin Golestanian se dedica a esta cuestión e investiga las reglas físicas que gobiernan el movimiento en sistemas vivos o activos. El objetivo de Golestanian es revelar las características universales de la materia viva activa. Esto incluye no solo organismos más grandes como depredadores y presas, sino también bacterias, enzimas y proteínas motoras, así como sistemas artificiales como micro-robots. “Cuando describimos un grupo de sistemas activos de este tipo a grandes distancias y largos períodos de tiempo, los detalles específicos de los sistemas pierden importancia. Su distribución general en el espacio se convierte en última instancia en la característica decisiva ”, explica Golestán.


De inanimado a sistema vivo


Su equipo en Göttingen ha logrado recientemente un gran avance en la descripción de la materia viva. Para lograrlo, Suropriya Saha, Jaime Agudo-Canalejo y Ramin Golestanian partieron de la conocida descripción del comportamiento de la materia inanimada y la expandieron. El punto principal era tener en cuenta la diferencia fundamental entre materia viva e inanimada. A diferencia de la materia pasiva inanimada, la materia activa viva puede moverse por sí misma. Los físicos usan la ecuación de Cahn-Hilliard para describir cómo se separan las mezclas inanimadas, como una emulsión de aceite y agua.


La caracterización desarrollada en la década de 1950 se considera el modelo estándar de separación de fases. Se basa en el principio de reciprocidad: ojo por ojo. Por lo tanto, el aceite repele el agua de la misma manera que el agua repele el aceite. Sin embargo, este no es siempre el caso de la materia viva o los sistemas activos. Un depredador persigue a su presa, mientras que la presa intenta escapar del depredador. Solo recientemente se ha demostrado que existe un comportamiento no recíproco (es decir, activo) incluso en el movimiento de los sistemas más pequeños, como las enzimas. De este modo, las enzimas pueden concentrarse específicamente en áreas celulares individuales, algo que es necesario para muchos procesos biológicos. Tras este descubrimiento, los investigadores de Göttingen investigaron cómo se comportan las grandes acumulaciones de diferentes enzimas. ¿Se mezclarían o formarían grupos? ¿Surgirían características nuevas e imprevistas? Con el objetivo de dar respuesta a estas preguntas, el equipo de investigación se puso a trabajar.


De repente aparecen olas


La primera tarea fue modificar la ecuación de Cahn-Hilliard para incluir interacciones no recíprocas. Debido a que la ecuación describe sistemas no vivos, la reciprocidad de las interacciones pasivas está profundamente arraigada en su estructura. Por tanto, todo proceso que describe termina en equilibrio termodinámico. En otras palabras, todos los participantes finalmente entran en un estado de reposo. La vida, sin embargo, tiene lugar fuera del equilibrio termodinámico. Esto se debe a que los sistemas vivos no permanecen en reposo, sino que utilizan la energía para lograr algo (por ejemplo, su propia reproducción). Suropriya Saha y sus colegas tienen en cuenta este comportamiento al expandir la ecuación de Cahn-Hilliard mediante un parámetro que caracteriza las actividades no recíprocas. De esta manera, ahora también pueden describir procesos que difieren de los procesos pasivos en cualquier medida.


Saha y sus colegas utilizaron simulaciones por computadora para estudiar los efectos de las modificaciones introducidas. “Sorprendentemente, incluso una mínima no reciprocidad conduce a desviaciones radicales del comportamiento de los sistemas pasivos”, dice Saha. Por ejemplo, el investigador observó la formación de ondas viajeras en una mezcla de dos tipos diferentes de partículas. En este fenómeno, las bandas de un componente persiguen las bandas del otro componente, lo que da como resultado un patrón de rayas en movimiento. Además, se pueden formar rejillas complejas en mezclas de partículas en las que pequeños grupos de un componente persiguen grupos del otro componente. Con su trabajo, los investigadores esperan contribuir al progreso científico tanto en física como en biología. Por ejemplo, el nuevo modelo puede describir y predecir el comportamiento de diferentes células, bacterias o enzimas. “Hemos enseñado nuevos trucos a un perro viejo con este modelo”, dice Golestanian. “Nuestra investigación muestra que la física contribuye a nuestra comprensión de la biología y que los desafíos que plantea el estudio de la materia viva abren nuevas vías para la investigación fundamental en física”.




 

Más información: Suropriya Saha et al. Scalar Active Mixtures: The Nonreciprocal Cahn-Hilliard Model. Phys. Rev. X (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.041009

 

Nota original: Max Planck Society

0 comentarios

Entradas relacionadas

Ver todo