La naturaleza está llena de patrones. Entre ellos se encuentran los patrones de mosaico, que imitan lo que vería en un piso de baño con mosaico, caracterizado por mosaicos e interfaces, como lechada, en el medio. En la naturaleza, el colorido de una jirafa es un ejemplo de un patrón de mosaico. Pero, ¿qué hace que se formen estos patrones naturales?

Un nuevo estudio de la Universidad de Arizona utiliza bacterias para comprender cómo surgen los mosaicos y las interfaces. Los hallazgos tienen implicaciones para comprender cómo la vida multicelular compleja podría haber evolucionado en la Tierra y cómo se podrían crear nuevos biomateriales a partir de fuentes biológicas.

En muchos sistemas biológicos, los patrones de mosaico son funcionalmente importantes. Por ejemplo, las alas de una mosca tienen mosaicos e interfaces. Las venas, que brindan estabilidad y contienen nervios, son interfaces que dividen un ala en mosaicos más pequeños. Y en los humanos, la retina en la parte posterior del ojo interno contiene células que están dispuestas como un mosaico de mosaicos para procesar lo que está en nuestro campo de visión.

Una gran cantidad de investigación ha analizado cómo se pueden establecer tales patrones a través de interacciones bioquímicas. Sin embargo, los patrones también se pueden establecer a través de interacciones mecánicas. Ese proceso no se entiende tan bien.

Un nuevo artículo publicado en Nature arroja nueva luz sobre la formación de patrones mecánicos. Fue dirigido por la ex becaria postdoctoral de UArizona Honesty Kim. Ingmar Riedel-Kruse, profesor asociado en el Departamento de Biología Molecular y Celular de la UArizona, es el autor principal del artículo.

El laboratorio Riedel-Kruse, en asociación con investigadores del Departamento de Matemáticas Aplicadas del Instituto Tecnológico de Massachusetts, utilizó bacterias para modelar cómo pueden surgir patrones de mosaico a través de interacciones mecánicas.

El equipo desarrolló varias moléculas adhesivas que se colocaron en la superficie de las células bacterianas, lo que permitió que diferentes tipos de células se unieran selectivamente. Cuando estas bacterias alteradas se colocaron en una placa de Petri, las bacterias comenzaron a crecer una hacia la otra. Cada vez que se encontraban dos tipos diferentes de bacterias, se formaba o no una interfaz, dependiendo de si sus moléculas de adhesión a la superficie eran complementarias o no. Las interfaces eran típicamente de medio milímetro de ancho y de tres a 10 milímetros de largo, y contenían millones de bacterias. Muchas de estas interfaces luego dieron como resultado una variedad de patrones de mosaico complejos, dependiendo de las ubicaciones bacterianas iniciales en la placa de Petri.

Luego, los autores investigaron qué tipos de patrones de mosaico podrían generarse y si existe una lógica subyacente. Descubrieron que solo cuatro moléculas adhesivas diferentes son suficientes para hacer cualquier patrón de mosaico posible. Los patrones de mosaico pueden variar en forma, tamaño y posición de las interfaces.

"Probamos esto matemáticamente con el famoso teorema del mapa de cuatro colores, que establece que no se necesitan más de cuatro colores para garantizar que dos países que se tocan en un mapa político no tengan el mismo color", dijo Riedel-Kruse. /P>

Los investigadores generaron muchos patrones diferentes de esta manera, incluido uno que usaba interfaces para deletrear "U of A" para la Universidad de Arizona.

Las ideas propuestas por el documento pueden conducir en última instancia a aplicaciones prácticas.

Los científicos podrían crear biomateriales estampados, que están hechos de seres vivos y podrían degradarse más rápido que los materiales sintéticos como el plástico, con las propiedades deseadas. Por ejemplo, podrían crear un material con un patrón específico que pudiera controlar la facilidad con la que el líquido fluye sobre la superficie del material.

"Usando la lógica de esta investigación, se puede controlar la forma, la estructura, la elasticidad e incluso cómo responde el fluido (entrar en el material o ser repelido)", dijo Riedel-Kruse. "O considere biofábricas microbianas para producir medicamentos y otras sustancias químicas. Podríamos controlar dónde se colocan las diferentes bacterias entre sí para ejecutar diferentes partes de una reacción compleja".

El hecho de que solo se requieran cuatro adhesiones para crear prácticamente todos los patrones de mosaico posibles también brinda nuevas perspectivas sobre cómo la vida multicelular compleja podría haber evolucionado en la Tierra a partir de la vida unicelular.

"El hallazgo de que cuatro adherencias diferentes son todo lo que se necesita para crear patrones de vida de mosaico muy diversos sugiere que una vez que haya suficientes componentes adhesivos disponibles, la biología del desarrollo podría generar muchas formas nuevas", dijo Riedel-Kruse.