Cómo se autoorganiza la materia viva a través de señales químicas
Científicos muestran un nuevo mecanismo de autoorganización de la materia viva
Las células y los microorganismos producen y consumen todo tipo de productos químicos, desde nutrientes hasta moléculas de señalización. Lo mismo sucede en la nanoescala dentro de las propias células, donde las enzimas catalizan la producción y el consumo de los productos químicos necesarios para la vida. En un nuevo trabajo publicado en Physical Review Letters, Jaime Agudo-Canalejo y Ramin Golestanian, del Departamento de Física de la Materia Viva del Instituto Max Planck de Dinámica y autoorganización (MPIDS) y la Universidad de Oxford, han encontrado un mecanismo genérico por el cual tales partículas químicamente activas, ya sean células, enzimas o coloides sintéticos de ingeniería, pueden detectarse entre sí y, en última instancia, auto-organizarse en una multitud de formas.
Las mezclas de partículas de productores y consumidores pueden auto-organizarse de muchas maneras. De izquierda a derecha: formación de pequeñas moléculas autopropulsadas compuestas de unas pocas partículas; separación completa de productores y consumidores en grupos distintos; agregación en un grupo estático con una composición precisa; agregación en un grupo autopropulsado parecido a un cometa.
© MPIDS
Detección mutua a través de la química
Combinando teoría y simulaciones por ordenador, los investigadores estudiaron el comportamiento de mezclas de diferentes especies de partículas, que producen o consumen una señal química a la que a su vez pueden ser atraídas o repelidas. Dependiendo de las características de cada especie, así como de las proporciones en las que se mezclan las especies, encontraron que las partículas se agregarán o separarán espontáneamente en una miríada de diferentes configuraciones. Las mezclas de una especie productora y una especie consumidora, por ejemplo, pueden separarse completamente en dos grupos distintos bajo ciertas condiciones, pero bajo condiciones diferentes pueden agruparse en un grupo con una composición definida con precisión. Aún más espectacularmente, estos racimos pueden comenzar espontáneamente a autopropulsarse de una manera similar a la de un cometa, con un grupo de productores muy compacto perseguido por una cola de consumidores, o viceversa.
Rompiendo la tercera ley de Newton
De hecho, según Agudo-Canalejo y Golestanian, una peculiaridad de estas interacciones mediadas por químicos es que rompen efectivamente la tercera ley de Newton de igual acción y reacción: por ejemplo, una partícula de una especie puede ser atraída por una partícula de la otra especie, pero la segunda puede ser repelida de la primera, de modo que una partícula termina persiguiendo a la otra. Estas y otras peculiaridades son consecuencia directa de la actividad química que caracteriza a la materia viva, y son responsables de la riqueza de los fenómenos de autoorganización observados, que estarían ausentes en un sistema no viviente.
"Esperamos que nuestro modelo mínimo pueda aplicarse a una variedad de problemas en biología e ingeniería. Los grupos autopropulsores observados, por ejemplo, pueden ser relevantes para entender los mecanismos de migración colectiva de células o microorganismos en tejidos o colonias heterogéneas. En una escala mucho menor dentro de la célula, el modelo podría explicar por qué las enzimas que participan en las vías catalíticas comunes tienden a co-localizarse, una observación que hasta ahora no tenía una explicación genérica", dice Jaime Agudo-Canalejo, primer autor del estudio. El director de MPI, Ramin Golestanian, añade: "También contemplamos aplicaciones en la ingeniería de materiales activos, que pueden ensamblarse espontáneamente a partir de partículas sintéticas que catalizan reacciones químicas."
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