Los físicos de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich que investigan la formación de patrones espontáneos en un sistema modelo que incluye proteínas móviles han descubierto fenómenos hasta ahora no observados. Sus hallazgos brindan nuevos conocimientos sobre los procesos biológicos.

Bandadas de aves y suspensiones bacterianas, sino también los sistemas de proteínas filamentosas dinámicas que forman el citoesqueleto de las células eucariotas, tienen algo en común. Desde el punto de vista del físico, todos estos son ejemplos de materia activa, es decir, sistemas cuyos componentes son capaces de convertir energía química en movimiento activo. La forma en que estos componentes se autoorganizan en ensamblajes funcionales es uno de los problemas centrales de la biología celular. porque muchos de los procesos esenciales que tienen lugar en las células se basan en la autoorganización de estructuras moleculares complejas en patrones. En colaboración con el profesor Andreas Bausch de la Universidad Técnica de Munich, Los físicos de LMU dirigidos por el profesor Erwin Frey han estudiado un sistema modelo popular para la materia activa, y descubrieron fenómenos nunca antes observados. En primer lugar, Los investigadores encontraron que pueden surgir patrones distintos bajo las mismas condiciones iniciales y, es más, estos estados ordenados pueden coexistir dinámicamente entre sí. En segundo lugar, las fluctuaciones sutiles a nivel microscópico no desaparecen. En cambio, pueden tener consecuencias importantes para todo el sistema a nivel macroscópico. El nuevo estudio aparece en la revista Ciencias .

Frey y sus colegas utilizaron un ensayo de motilidad estándar como modelo. En este sistema, Las proteínas motoras de miosina se unen a un sustrato para formar una especie de alfombra. Luego se agrega una solución que contiene polímeros filamentosos de la proteína actina. En presencia de una fuente de energía química (ATP), los filamentos se unen a las proteínas motoras y se transportan activamente dentro de la matriz. "En condiciones estándar, los filamentos de actina se mueven en racimos ondulados, "dice Lorenz Huber, un estudiante de doctorado en el grupo de Frey y, junto con Ryo Suzuki y Timo Krüger, primer autor conjunto del artículo. Los experimentos realizados en el laboratorio de Bausch mostraron, sin embargo, que alteraciones menores en las interacciones entre las proteínas tienen un efecto inesperado sobre este patrón. La adición de una pequeña cantidad del polímero orgánico polietilenglicol al sistema reduce eficazmente el volumen disponible para los filamentos de actina. Bajo estas condiciones, no solo la frecuencia, pero también el tipo de interacciones observadas cambia notablemente, y los frentes de onda que avanzan se transforman en formas filiformes que crecen en longitud, más bien como huellas de hormigas. Esto demuestra que incluso menor, Las modificaciones locales pueden alterar drásticamente el comportamiento del sistema a nivel macroscópico. "Normalmente, uno asume que los pequeños detalles se vuelven insignificantes a escalas mayores, pero aquí, las pequeñas diferencias se amplifican progresivamente y tienen un impacto cada vez mayor a medida que se aumenta la escala del sistema, "dice Huber.

Los investigadores desarrollaron un modelo teórico que captura los movimientos de los filamentos y reproduce las observaciones experimentales. Las simulaciones basadas en este modelo también revelaron una región de espacio de parámetros en la que tanto las estructuras onduladas como los rastros de hormigas emergen simultáneamente y pueden coexistir de manera estable entre sí. "Esta aparición de biestabilidad indica que hemos identificado una nueva fase de la materia, "dice Frey. En otros experimentos de laboratorio, de hecho, el equipo pudo generar ambos estados de organización a la vez. "Es realmente fascinante de ver. Las ondas polarizadas bañan los rastros de hormigas y prácticamente los borran, dejando atrás una especie de morrena, que sirve para sembrar la formación de un nuevo rastro de hormigas. Entonces, el sistema exhibe una interacción muy interesante y dinámica entre los dos tipos de patrón, "dice Huber.

Estos hallazgos indican que los sistemas de materia activa tienen una capacidad única para dar lugar a diferentes tipos de patrones dinámicos en condiciones iniciales idénticas. Según los autores del estudio, esta idea tiene profundas implicaciones para varios campos de investigación, y podría conducir a nuevas formas de entender los procesos biológicos. "Inspira a reflexionar sobre cómo un sistema biológico puede generar simultáneamente diferentes tipos de orden utilizando un conjunto determinado de componentes, "Concluye Huber.

Este artículo será publicado en línea por la revista. Ciencias el jueves, 28 de junio 2018.