Los cilios son estructuras diminutas parecidas a cabellos en las células de todo nuestro cuerpo que cumplen una variedad de funciones, incluida la limpieza de las vías respiratorias, la circulación del líquido cefalorraquídeo en el cerebro y el transporte de óvulos en las trompas de Falopio. Si bien los investigadores comprenden su función, no entienden completamente cómo generan los movimientos especializados para llevar a cabo esas funciones.

Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, dirigido por Louis Woodhams, profesor titular, y Philip V. Bayly, Profesor Distinguido Lee Hunter y presidente del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales, desarrolló un modelo matemático novedoso del cilio que late debido a una inestabilidad mecánica llamada "aleteo" que surge bajo fuerzas constantes generadas por la proteína motora dineína. Esta inestabilidad del aleteo a microescala es similar al aleteo aerodinámico en sistemas más grandes, que condujo al conocido colapso del puente Tacoma Narrows, y también ocurre en las alas de los aviones y en las palas de las turbinas.

Los resultados de la investigación aparecieron en la portada de la edición de agosto de Journal of the Royal Society Interface .

Los cilios laten de diferentes maneras:el flagelo que se encuentra en la cola de un espermatozoide empuja el líquido de forma simétrica, mientras que otros tipos de cilios tiran de forma asimétrica, similar al movimiento de braza de un nadador. Otros, como los cilios en el nódulo embrionario, se mueven en forma circular o de remolino.

"Hicimos un modelo personalizado de elementos finitos que nos permite explorar de manera eficiente el espacio de parámetros del modelo y nos brinda un retrato del comportamiento del sistema", dijo Woodhams, primer autor del artículo. "Este modelo se puede utilizar para explicar las formas simétricas, asimétricas y en 3D de los cilios".

El equipo construyó un modelo que tiene seis filamentos en el exterior y uno en el interior que era una aproximación de la estructura del axonema flagelar, el haz de microtúbulos que forman el núcleo central de un cilio. Debido a que muchas estructuras de proteínas en el axonema son demasiado pequeñas para medir sus propiedades directamente, el modelo matemático les permitió explorar cómo el acoplamiento entre filamentos individuales afectaría la frecuencia y la forma de los latidos.

"Con este modelo, podríamos probar diferentes magnitudes de fuerza de dineína y diferentes rigideces de las estructuras internas", dijo Woodhams. "Intentar simular el sistema usando software comercial puede tomar horas para resolver un sistema. Con este enfoque, podemos resolver miles de puntos de parámetros y obtener una instantánea del comportamiento del sistema en muchos puntos diferentes".

El laboratorio de Bayly ha estado trabajando con cilios como modelo para estudiar la vibración, el movimiento ondulatorio y la inestabilidad en sistemas mecánicos y biomédicos. La nueva investigación se basa en trabajos anteriores al permitir un análisis eficiente de valores propios, que caracteriza la frecuencia y la forma de los latidos, en un modelo multifilamento del axonema que utiliza matrices de elementos finitos derivadas a medida. El modelo incluye una nueva representación matemática de la proteína motora dineína que equilibra las fuerzas internas y los momentos exactamente cuando se deforma el axonema.

"El modelo de Louie es una gran contribución al campo. Demuestra de forma clara y rigurosa que una inestabilidad de aleteo mecánico podría ser la base del latido de los cilios, uno de los fenómenos biofísicos más ubicuos e importantes en la naturaleza", dijo Bayly. + Explora más

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