Si bien la mayor parte de la biología y la medicina se centran en las funciones clave que desempeñan los genes y las sustancias químicas en la formación y el control de los sistemas vivos, la disposición espacial de los componentes que componen esos sistemas y las fuerzas físicas que experimentan se reconocen cada vez más como igualmente importantes. Donald Ingber, MARYLAND., Doctor., Director fundador del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard, comenzó a investigar esta "arquitectura de la vida" hace más de treinta y cinco años, y descubrió que la naturaleza utiliza un principio arquitectónico conocido como "tensegridad" (abreviatura de "integridad tensional") para estabilizar las formas de las células vivas y determinar cómo responden a las fuerzas mecánicas.

Las estructuras de tensegridad consisten en elementos que están en un estado de tensión o compresión, y el equilibrio entre esas fuerzas que interactúan permite que tales estructuras se estabilicen en estado de tensión isométrica, al igual que los músculos y huesos de nuestro cuerpo. Esta tensión interna o "pretensado" permite que toda la estructura resista los esfuerzos de las fuerzas externas, deformar de forma controlada, y volverá espontáneamente a su forma original cuando se elimine el estrés. La idea de que la tensegridad dicta la forma y organización de las células vivas fue inicialmente controvertida, pero como resultado de la validación experimental en múltiples sistemas, ha ganado una mayor aceptación con el tiempo.

La tensegridad también puede ser jerárquica, en que cada elemento estructural puede ser en sí mismo una estructura de tensegridad a una escala menor, manteniendo la integridad tensional tanto a nivel local como global. Basado en estas propiedades, Ingber también propuso en un artículo de "Scientific American" en 1998 que la tensegridad podría aplicarse más allá del nivel celular a todas las escalas de tamaño de la vida. desde átomos hasta organismos completos. El trabajo reciente de Ingber y otros ha brindado apoyo experimental para esa hipótesis al demostrar que la tensegridad se usa a escala de núcleos celulares, elementos citoesqueléticos, y moléculas individuales. Sin embargo, investigar cómo funciona la tensegridad en estructuras jerárquicas complejas que experimentan cambios dramáticos en forma y forma (como enzimas y otras proteínas) ha demostrado ser un desafío, en parte debido a las limitaciones de los métodos de modelado biológico existentes.

Usando un método de modelado multiescala recientemente desarrollado, Ingber (quien también es el profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Escuela de Medicina de Harvard y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, y profesor de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard) y Charles Reilly, científico de planta de Wyss, ahora han demostrado con éxito que los principios de tensegridad se utilizan en varios niveles de tamaño y complejidad estructural dentro de las células vivas. Su trabajo también reveló cómo los cambios basados ​​en la tensegridad en la forma molecular pueden impulsar el movimiento de las partes celulares. La investigación, reportado en Cartas de Mecánica Extrema , aclara aún más la importancia de la tensegridad como un principio fundamental de la biología.

El nuevo enfoque de modelado computacional del equipo tiene una visión holística, tratar cada modelo como una serie de operaciones matemáticas que pueden cambiar dinámicamente en respuesta a diferentes entradas en lugar de una colección de puntos de datos estáticos. "La diferencia entre nuestro método y otros métodos de modelado es un poco como las diferentes formas en que se pueden utilizar las hojas de cálculo de Excel, ", dice Reilly." Si coloca manualmente un montón de datos en una hoja de cálculo y luego cambia el contenido de una celda, no actualizará las otras celdas a su alrededor. Pero si usa una fórmula y alimenta cualquier cambio de datos a través de esa fórmula, actualiza automáticamente todas las celdas de la hoja de cálculo. Eso es esencialmente lo que estamos haciendo sino para modelos multiescala de moléculas biológicas y sistemas de tamaño y complejidad variables ".

Esta estrategia, también conocido como "modelado de procedimientos, "permite que los datos de diferentes escalas y formatos de tamaño se integren en un modelo de múltiples escalas, construyéndolo de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo simultáneamente, en lugar de comenzar con conjuntos de datos discretos, cada uno de los cuales describe solo un aspecto del modelo y trata de reconciliarlos. En una publicación reciente en ACS Nano, Reilly e Ingber desarrollaron este método combinando enfoques de software de animación por computadora de la industria del entretenimiento con rigurosas herramientas de simulación de dinámica molecular comúnmente utilizadas en la investigación biológica. Utilizaron este nuevo enfoque de simulación para construir un modelo de un espermatozoide que demuestra el movimiento celular desde moléculas de proteína de dineína individuales en la cola hasta la célula completa. permitiéndoles observar cómo los cambios a nivel atómico se reflejan en estructuras de mayor escala. También aprovecharon este avance para producir una película animada entretenida para el público no especializado que transmite la belleza y la maravilla de la fertilización con óvulos titulada, "El principio, "que se publicó junto con el artículo.

En su artículo más reciente, muestran que este mismo modelo revela la tensegridad en funcionamiento a través de múltiples escalas de tamaño en la estructura jerárquica de una célula viva. A nivel molecular, Se encontró que las moléculas de dineína individuales cuyas formas se estabilizan mediante pretensado tienen áreas de mayor rigidez alrededor de sus sitios de unión de ATP, que resisten la deformación por la energía entrante del ATP y, en cambio, traducen esa fuerza en el movimiento característico de la molécula de dineína. Los cambios de forma colectivos de múltiples dineínas generan fuerzas tensionales que se ejercen sobre el largo, microtúbulos resistentes a la compresión a los que se unen en una escala de tamaño mayor. Estas fuerzas de tensión luego impulsan la flexión cíclica de los microtúbulos, lo que provoca la flexión rítmica de la cola del espermatozoide a nivel celular completo.

"Este es el primer estudio, a nuestro conocimiento, que demuestra la continuidad mecánica, transferencia de tensión, y cambios conformacionales que resultan de la liberación de energía química desde la escala atómica hasta el nivel de la célula completa, así como cómo la tensegridad guía esos cambios para impulsar el movimiento celular, "dice Ingber.

Luego, los investigadores modelaron un nuevo sistema con el mismo proceso:la enzima mitocondrial ATP sintasa, que también exhibe un cambio conformacional distinto que es dictado por la aplicación de fuerza a la estructura de la enzima, que se propaga a través de la tensegridad. Cambiar la concentración de la molécula de sustrato de la enzima en el modelo produjo un resultado que describía cómo la ATP sintasa interactúa con su microambiente. Investigaciones posteriores sugirieron que la mayor prevalencia de moléculas enzimáticas en los pliegues internos frente a los externos de las crestas mitocondriales podría, De hecho, contribuir también a las propiedades físicas del microambiente, lo que implica que la tensegridad también estabiliza las estructuras a escala de complejas interacciones multimoleculares.

"Centramos nuestra investigación en este artículo en estructuras a escala celular y hacia abajo, pero este método de modelado también se puede extender a estructuras más grandes, de modo que pueda modelar casi cualquier sistema multiescala, ", dice Reilly. Los investigadores anticipan que su enfoque podría usarse para producir modelos para una variedad de aplicaciones, desde la mecanobiología hasta la transducción de señales celulares y la decodificación de los fundamentos de la vida misma.

"La tensegridad es un buen ejemplo de un principio de diseño biológico que nos ha inspirado aquí en el Instituto Wyss, y que aprovechamos para crear nuevas tecnologías, "añade Ingber". Por ejemplo, trabajando con [miembro fundador de la facultad principal y co-director de Robótica Molecular] William Shih, Creamos nanodispositivos de ADN basados ​​en tensegridad que se pueden programar para cambiar de forma a pedido para aplicaciones biomédicas, y con Radhika Nagpal [miembro de la facultad principal y codirectora de robótica bioinspirada], diseñamos un autodeformable, robot modular que puede realizar una variedad de maniobras más rápidamente que los robots tradicionales. Ahora que tenemos un enfoque de modelado que valida e incorpora tensegridad, esperamos poder estudiarlo y emplearlo de formas completamente nuevas e inesperadas ".