Flotas de máquinas microscópicas se afanan en sus células, llevando a cabo tareas biológicas críticas y manteniéndote con vida. Combinando teoría y experimento, Los investigadores han descubierto la sorprendente forma en que una de estas máquinas, llamado el huso, evita ralentizaciones:congestión.
El huso divide los cromosomas por la mitad durante la división celular, asegurándose de que ambas células descendientes contengan un conjunto completo de material genético. El husillo se compone de decenas de miles de rígidos, Tubos huecos llamados microtúbulos conectados por motores biológicos.
Los microtúbulos solo se impulsan hacia adelante cuando se conectan a un vecino que apunta en la dirección opuesta. Observaciones anteriores, sin embargo, mostró microtúbulos cruzando a toda velocidad incluso cuando estaban vinculados solo a vecinos que miraban de la misma manera. En un nuevo artículo publicado el 2 de septiembre en Física de la naturaleza , los investigadores dan una respuesta a este acertijo. Los microtúbulos están tan enredados entre sí que incluso aquellos que no se lanzan activamente hacia adelante son arrastrados a toda velocidad por la multitud.
"Es como un paso de peatones de la ciudad de Nueva York, "dice el autor principal del estudio, Sebastian Fürthauer, científico investigador del Centro de Biología Computacional (CCB) del Flatiron Institute en la ciudad de Nueva York. "Las personas que caminan de diferentes maneras están mezcladas, sin embargo, todos pueden moverse a toda velocidad y fluir suavemente unos sobre otros ".
Los hallazgos ayudarán a los científicos a comprender mejor la maquinaria celular que segrega los cromosomas durante la división celular y por qué este proceso a veces sale mal. Si un eje hace su trabajo incorrectamente, Puede introducir errores como cromosomas extra o faltantes que pueden provocar complicaciones como infertilidad y cáncer. Dice Fürthauer.
Fürthauer y el director de CCB, Michael Shelley, ambos matemáticos aplicados, trabajó en el proyecto junto con un equipo interdisciplinario de biólogos y físicos experimentales de la Universidad de Harvard, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, Universidad de Indiana, y la Universidad de California, Santa Bárbara.
Uno de los objetivos generales de la biofísica es vincular la actividad de componentes a pequeña escala con la dinámica a gran escala de células y organismos. Las propiedades de los principales componentes del husillo están relativamente bien estudiadas. Los microtúbulos son largos, varillas rígidas de polímero similares a pajitas para beber, cada uno con un final "menos" y un final "más". Los motores moleculares se enganchan y se mueven a lo largo de los microtúbulos usando un par de 'pies' moleculares. Motores Kinesin, por ejemplo, tener dos pares de pies, uno en cada extremo. Las moléculas de kinesina pueden unirse a dos microtúbulos diferentes, con cada par de pies marchando desde el extremo negativo hasta el extremo positivo de cada microtúbulo.
Si los extremos positivo y negativo de ambos microtúbulos están alineados, los dos pares de pies caminan en la misma dirección y los microtúbulos no se mueven entre sí. Si los microtúbulos están anti-alineados, los pies se mueven en direcciones opuestas, haciendo que los microtúbulos se deslicen unos sobre otros. El movimiento colectivo de todos los microtúbulos determina el crecimiento y la forma del huso.
Los estudios anteriores se centraron principalmente en situaciones en las que los motores eran escasos. Los científicos habían asumido que se trataba de una representación precisa de lo que sucede en las células reales. En tal escenario, el movimiento de un microtúbulo dependería de la orientación de sus vecinos. Los microtúbulos alineados con sus vecinos se quedarían quietos mientras que aquellos que desafiaban a la multitud se acercaban.
Husillos reales, sin embargo, no exhiba este comportamiento esperado. Los microtúbulos rodeados de vecinos que miran en el mismo sentido todavía se mueven a toda velocidad. Entonces, ¿qué los impulsa hacia adelante?
Fürthauer y sus colegas investigaron cómo los microtúbulos se moverían colectivamente si el sistema estuviera lleno de muchos motores, resultando en muchas conexiones entre microtúbulos. Desarrollaron una teoría matemática de cómo se desarrollan las tensiones mecánicas en el colectivo cuando los microtúbulos son empujados y tirados entre sí por los numerosos motores.
Su teoría predice que los microtúbulos se alinean, con cada microtúbulo orientado hacia una de las dos direcciones opuestas. Donde los microtúbulos de orientación opuesta se mezclan, se impulsan hacia adelante como se esperaba. Microtúbulos en otros lugares, la teoría dice, Están tan enredados con sus vecinos que ellos también son arrastrados por el camino. Cada microtúbulo por lo tanto, se mueve precisamente a la velocidad de los motores andantes, independientemente de su lugar entre la multitud.
Los experimentos llevados a cabo por los investigadores utilizando microtúbulos y abundantes motores de kinesina coincidieron con estas predicciones. Adicionalmente, la teoría y los experimentos coincidían con los ejes del mundo real:en los huevos de las ranas africanas con garras, los microtúbulos en los husillos se mueven aproximadamente a la misma velocidad a la que se sabe que caminan los motores que los conectan.
El comportamiento del huso de la rana es "muy sugerente de que la biología real vive en el régimen que vemos en nuestros experimentos, "Dice Fürthauer." Con este nuevo entendimiento, ahora podemos preguntar:¿Cómo podemos construir un huso? ¿Podemos reconstruir esta compleja máquina biológica en una simulación por computadora, ¿o incluso en el tubo de ensayo? ”Él y sus colegas tienen la esperanza de que se estén acercando.
