Nuestros cuerpos están formados por billones de células diferentes, cada una de las cuales cumple su propia función única para mantenernos vivos. ¿Cómo se mueven las células dentro de estos sistemas extremadamente complicados? ¿Cómo saben adónde ir? ¿Y cómo se volvieron tan complicados para empezar? Preguntas simples pero profundas como estas están en el centro de la investigación básica impulsada por la curiosidad, que se centra en los principios fundamentales de los fenómenos naturales. Un ejemplo importante es el proceso mediante el cual las células u organismos se mueven en respuesta a señales químicas en su entorno, también conocido como quimiotaxis.
Un grupo de investigadores de tres unidades de investigación diferentes del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) se reunieron para responder preguntas básicas sobre la quimiotaxis mediante la creación de gotas sintéticas para imitar los fenómenos en el laboratorio, lo que les permitió aislar, controlar y estudiar con precisión la fenómenos.
Sus resultados, que ayudan a responder preguntas sobre los principios del movimiento en sistemas biológicos simples, se publicaron en el Journal of The American Chemical Society. .
"Hemos demostrado que es posible hacer que las gotas de proteínas migren mediante interacciones químicas simples", dice Alessandro Bevilacqua, Ph.D. estudiante de la Unidad de Evolución e Ingeniería de Proteínas y coautor del artículo. Profesora Paola Laurino, jefa de la unidad y autora principal. Laurino añade que "han creado un sistema simple que imita un fenómeno muy complejo y que puede modularse mediante actividad enzimática".
Tensiones en la superficie
Si bien el proceso de creación de gotas puede no parecer la tarea más complicada, imitar los procesos biológicos lo más cerca posible de la realidad manteniendo un control preciso sobre todas las variables ciertamente lo es. Las gotitas sintéticas sin membrana contienen una concentración muy alta de proteína bovina BSA para imitar las condiciones de hacinamiento dentro de las células, así como ureasa, una enzima que cataliza la descomposición de la urea en amoníaco.
El amoníaco es básico, lo que significa que tiene un valor de pH alto. A medida que la enzima cataliza gradualmente la producción de amoníaco, se difunde en la solución, creando un "halo" de pH más alto alrededor de la gota, lo que a su vez permite que las gotas detecten otras gotas y migren unas hacia otras.
Los investigadores descubrieron que la clave para comprender la quimiotaxis de las gotas es el gradiente de pH, ya que facilita el efecto Marangoni, que describe cómo las moléculas fluyen desde áreas de alta tensión superficial a áreas de baja.
La tensión superficial es la medida de energía necesaria para mantener juntas las moléculas de la superficie, como el pegamento. Cuando el pH aumenta, este pegamento se debilita, lo que hace que las moléculas se extiendan y reduzca la tensión superficial, lo que a su vez facilita el movimiento de las moléculas. Puedes comprobarlo añadiendo jabón, que tiene un pH alto, en un extremo de una bañera con agua sin gas:el agua fluirá hacia el final con jabón debido al efecto Marangoni.
Cuando dos gotas sintéticas están lo suficientemente cerca, sus halos interactúan, elevando el pH en el ambiente entre ellas, lo que las hace moverse juntas. Debido a que la tensión superficial sigue siendo fuerte en los extremos opuestos de las gotas, mantienen su forma hasta que las superficies se tocan y las fuerzas cohesivas dentro de las gotas superan la tensión superficial, provocando que se fusionen. Como las gotas más grandes producen más amoníaco y tienen una superficie mayor (lo que disminuye la tensión superficial), atraen gotas más pequeñas que ellas.
Colaborando en la sopa antigua y la biotecnología del futuro
Gracias al desarrollo de estas gotitas, los investigadores han avanzado en la respuesta a preguntas básicas sobre el movimiento biológico y, al hacerlo, han obtenido información sobre el movimiento dirigido de las primeras formas de vida en la sopa primordial hace miles de millones de años, como así como liderazgo en la creación de nuevos materiales de inspiración biológica.
Nuestro conocimiento de la vida tal como era hace miles de millones de años es, en el mejor de los casos, confuso. Una hipótesis destacada es que la vida se originó en los océanos, a medida que las moléculas orgánicas se ensamblaron gradualmente y se volvieron más sofisticadas en una "sopa primordial", y esto podría haber sido facilitado por la quimiotaxis a través del efecto Marangoni.
"Hubiera sido beneficioso para las gotas disponer de este mecanismo de migración en el hipotético escenario del origen de la vida", afirma el profesor Laurino. Esta migración podría haber desencadenado la formación de vías metabólicas primitivas mediante las cuales las enzimas catalizan una variedad de sustancias que, en última instancia, producen un gradiente químico que une las gotas, dando lugar a comunidades más grandes y sofisticadas.
La investigación también apunta hacia adelante en el tiempo y proporciona pistas sobre nuevas tecnologías. "Un ejemplo es la creación de materiales responsivos inspirados en la biología", sugiere Alessandro Bevilacqua. "Hemos demostrado cómo las gotas simples pueden migrar gracias a un gradiente químico. Una aplicación futura de esto podrían ser tecnologías que detecten o reaccionen a gradientes químicos, por ejemplo en microrobótica o administración de fármacos".
El proyecto comenzó durante la pandemia de coronavirus, cuando un miembro de la Unidad de Ingeniería y Evolución de Proteínas se encontraba en cuarentena con un miembro de la Unidad de Flujos y Fluidos Complejos. Los dos comenzaron a hablar y, aunque las dos unidades pertenecen a dos campos diferentes (bioquímica y mecánica, respectivamente), el proyecto evolucionó en conjunto. Finalmente, miembros de la Unidad de Micro/Bio/Nanofluídica se unieron al proyecto con mediciones sofisticadas de la tensión superficial de las gotas.
El entorno único de investigación no disciplinaria de la OIST catalizó la colaboración. Como dice el profesor Laurino:"Este proyecto nunca podría haber existido si estuviéramos separados por departamentos. No ha sido una colaboración fácil, porque comunicamos nuestro campo de maneras muy diferentes, pero estar físicamente cerca lo hizo mucho más fácil". /P>
Alessandro Bevilacqua añade:"El factor café ha sido muy importante. Poder sentarnos con otros miembros de la unidad hizo que el proceso fuera mucho más rápido y productivo". Su cooperación no termina aquí; más bien, este documento es el comienzo de una asociación fructífera entre las tres unidades.
"Vemos mucha sinergia en nuestro trabajo y trabajamos juntos de manera efectiva y eficiente. No veo ninguna razón por la que debamos detenernos", dice el profesor Laurino. Gracias a los esfuerzos combinados de las tres unidades, ahora sabemos más sobre los pequeños movimientos de la vida en la escala más pequeña, más temprana y posiblemente futura.
Más información: Mirco Dindo et al, Las interacciones quimiotácticas impulsan la migración de gotitas activas sin membrana, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2024). DOI:10.1021/jacs.4c02823
Información de la revista: Revista de la Sociedad Química Estadounidense
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
