La formación de patrones moleculares autoorganizados en las células es un componente crítico de muchos procesos biológicos. Investigadores de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) en Munich han propuesto una nueva teoría para explicar cómo surgen tales patrones en sistemas naturales complejos.

Muchos procesos biológicos dependen fundamentalmente de la formación de distribuciones ordenadas de moléculas específicas dentro de las células. Estos patrones son estructuras autoorganizadas que evolucionan de manera predecible en el tiempo y el espacio. Quizás el ejemplo más conocido de patrón de proteínas intracelulares es la maquinaria molecular que orquesta la segregación regular de conjuntos de cromosomas completos a las dos células hijas durante la división celular.

La teoría clásica de la formación de patrones se basa en sistemas químicos cercanos al equilibrio. Pero tales estados rara vez se encuentran en la física, sistemas químicos o biológicos en los que se observa típicamente un patrón autoorganizado. Como una regla, estos sistemas se encuentran muy lejos del equilibrio, un estado mantenido por la entrada de energía. Los mecanismos que crean y estabilizan estructuras ordenadas en estas condiciones son poco conocidos. Los físicos de LMU Erwin Frey y Jacob Halatek han introducido ahora un nuevo marco teórico que puede explicar la formación de patrones en sistemas que no están en equilibrio. La nueva teoría se describe en la revista Física de la naturaleza .

Frey y Halatek centraron su atención en los sistemas dinámicos impulsados ​​por interacciones que conservan la masa, es decir, reacciones químicas. En sistemas biológicos, La formación de patrones se manifiesta principalmente en la redistribución dinámica de proteínas específicas. En muchos de estos sistemas, la dinámica depende de alteraciones en las conformaciones de las moléculas de proteína que les permiten cambiar entre un estado unido a la membrana y un estado de difusión libre en la fase soluble de la célula. "Lo que observamos como un patrón de proteínas suele ser una disposición espacial específica, una densidad no uniforme, de una proteína, sobre una superficie de membrana, "dice Halatek.

La formación de patrones resulta del hecho de que la distribución de una proteína dada entre la membrana y la fase citosólica cambia constantemente. aunque su concentración total en la célula permanece constante. "La dinámica de la formación de patrones en un sistema tan complejo y extendido como una célula biológica es, sin embargo, muy dificil de capturar, incluso en simulaciones, ", dice Halatek." Es por eso que dividimos los datos utilizados en nuestras simulaciones de formación de patrones en sistemas grandes en una red de compartimentos mucho más pequeños, que están acoplados entre sí ".

La densidad local de las proteínas citosólicas y unidas a la membrana determina el equilibrio químico en cada compartimento, de modo que los cambios en la relación entre las formas de proteínas citosólicas y las unidas a la membrana dan como resultado un cambio del equilibrio. Halatek y Frey demostraron que la formación de patrones es una consecuencia de estos cambios en los equilibrios químicos locales. "La redistribución de las proteínas es impulsada por la difusión. La difusión por sí sola eventualmente conduciría a una distribución homogénea de todas las especies de proteínas en todo el volumen celular, ", dice Halatek. Por lo tanto, es esencial para la formación de patrones que se mantenga un gradiente de difusión en el sistema, de modo que siempre sean posibles las redistribuciones de las proteínas. Por esta razón, La formación de patrones en los sistemas biológicos depende de reacciones enzimáticas que alteran las conformaciones de las proteínas en cuestión. para permitirles unirse a la membrana, por ejemplo."

Los dos físicos aplicaron su nueva teoría al sistema Min, un conjunto de tres proteínas que se encuentran en la bacteria con forma de bastón Escherichia coli, que interactúan para generar un patrón autoorganizado que determina el plano de clivaje durante la división celular. Observaron otra consecuencia de la desestabilización dinámica de los equilibrios locales debido al transporte de masa:la aparición de turbulencias químicas. "Estas turbulencias, sin embargo, no dan lugar a la pérdida total de orden que sugieren las teorías clásicas, "dice Frey." En nuestro marco conceptual, ocurre precisamente lo contrario. Cuando desestabilizamos el sistema, observamos que la turbulencia se desarrolla con relativa rapidez. Pero ante una mayor perturbación, el sistema sufre una transición en la que está lejos del equilibrio, pero sin embargo claramente ordenado y no turbulento ". Frey y Halatek comparan este tipo de comportamiento con el efecto de un marcapasos cardíaco, que contrarresta las arritmias aplicando impulsos eléctricos para restaurar el patrón normal de conducción de impulsos. "Nuestro modelo explica cómo los 'marcapasos' pueden surgir por autoorganización en sistemas que no están en equilibrio, "dice Halatek". En otras palabras, podemos dar una respuesta clara a la pregunta:¿Qué parte del "yo" es responsable de la "organización"? Ese papel lo desempeñan los modos inestables ('modos de control') que alteran la posición y la estabilidad de los equilibrios locales que impulsan la evolución temporal del sistema ".