Desde los intrincados patrones de los granos de polen hasta las espirales logarítmicas de las conchas de nautilus, la biología está llena de patrones complejos, formas y geometrías. Muchas de estas intrincadas estructuras juegan un papel importante en la función biológica, pero puede ser difícil de crear en un laboratorio sin equipos de última generación o procesos y materiales costosos y que consuman energía.

Un nuevo estudio describe cómo las esferas se pueden transformar en husos retorcidos gracias a los conocimientos de las herramientas de navegación del siglo XVI. Los investigadores muestran cómo los polímeros pueden contraerse en estructuras espirales, conocido como loxodromes, que tienen patrones complejos diez veces más pequeños que el ancho de un cabello humano. Publicado en Cartas de revisión física , la investigación fue realizada por la estudiante graduada de la Universidad de Pensilvania, Helen Ansell, postdoctorado Daeseok Kim, y los profesores Randall Kamien y Eleni Katifori en la Facultad de Artes y Ciencias, en colaboración con Teresa Lopez-Leon de la École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI).

Kim, que trabajó en este proyecto en ESPCI antes de venir a Penn, se inspiró en otros estudios que muestran que una mezcla de polímero y cristal líquido adquiere una nueva forma cuando se coloca en un disolvente diferente. Fue un cambio que también fue reversible y reproducible, con poca o ninguna energía necesaria para provocar el cambio de forma.

Para comprender los interesantes cambios conformacionales que Kim había visto en el laboratorio, buscó teóricos que pudieran ayudar a entender cómo la geometría del polímero hizo que se retuerza y ​​se contraiga. Después de ver las imágenes microscópicas y los datos recopilados y analizados por Kim, Ansell tuvo una idea inicial de lo que podría ser la estructura del huso:un loxódromo.

Más comúnmente conocidas como líneas de rumbo, un loxódromo es un arco que sigue un ángulo constante al atravesar una esfera. Los marineros de los siglos XVI al XIX utilizaron estas líneas para navegar, permitiéndoles poner sus brújulas en un rumbo constante para que su barco no tuviera que cambiar su rumbo.

"Intentamos averiguar si este era el caso, "Ansell dice sobre investigar si su hipótesis era correcta." Creemos que encontramos estos loxodromes, así que tuvimos que empezar a comparar cómo se ve con los datos ".

Ansell luego desarrolló un modelo matemático que describe cómo las esferas se alargan y retuercen usando la geometría del loxódromo como punto de partida. Al comparar los resultados de su teoría con los datos generados por Kim, Ella pudo demostrar que cambiar el solvente hacía que los polímeros se encogieran, lo que hizo que su forma se torciera a medida que las cadenas de polímero a lo largo de las líneas de longitud de la esfera se acortaban.

En la parte superior de los ejes hay espirales de una micra, casi cien veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. La creación de patrones hechos por el hombre que son pequeños generalmente requiere métodos y equipos costosos. pero este método de hacer estructuras autoensambladas a pequeña escala utilizando materiales de partida a escala de curso es mucho más simple.

El loxódromo de polímero es el último hallazgo que profundiza en los intereses del grupo Kamien en el cruce entre la química y la geometría. Kamien dice que muchas interacciones en biología, como el plegamiento de proteínas, Respuestas inmunes, e incluso oler, generalmente se representa como un enlace químico, pero enfatiza que la geometría también impulsa gran parte de lo que sucede en biología.

"Piense en las proteínas, "dice Kamien, "Tienes estos aminoácidos diferentes, y atraen de diferentes formas, pero cuando hayas terminado, tienes este globo gigante, y hay este pequeño bolsillo que agarra los residuos, así que lo piensas geométricamente. La explicación de Helen es completamente geométrica:no implica nada específico sobre cómo funciona la encuadernación ".

Para Kim, esta investigación es un primer paso emocionante para estudiar estructuras únicas en otros sistemas biológicos. Al diseñar nuevos tipos de partículas de polímero y probarlas en diferentes condiciones, espera aprender más sobre cómo funcionan los impulsores de forma, especialmente en sistemas que se retuercen y contraen. "Podríamos estudiar algo de materia biológica en la naturaleza imitando un modelo topológico similar, " él dice, "Y podemos resolver o estudiar algún problema complejo de la naturaleza".

Ahora, por pura coincidencia, Los esfuerzos de Ansell han sentado las bases para otro proyecto no relacionado en el que había estado atrapada durante algún tiempo y que también parece tener una solución loxodrómica.

"Simplemente aparecen, "ella dice sobre la forma del huso retorcido.

"Como dijo Pasteur, la suerte favorece la mente preparada, "agrega Kamien." Ahora, estamos preparados para buscarlos ".