Muchas células de nuestro cuerpo están en movimiento y de alguna manera parecen "saber" a dónde ir. Pero, ¿cómo aprenden la ubicación de su destino? Esta pregunta es clave para comprender fenómenos como la renovación de las células de nuestro cuerpo, la migración de células cancerosas, y especialmente cómo cicatrizan las heridas. Edouard Hannezo y su grupo en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (IST Austria), en colaboración con Tsuyoshi Hirashima y su estudiante en la Universidad de Kyoto, proponen un nuevo modelo de transferencia de información en el que las células utilizan ondas viajeras de larga distancia de manera autoorganizada. cerrar una herida. Este estudio fue publicado recientemente en la revista Física de la naturaleza .

Los investigadores construyeron un modelo matemático para describir las interacciones dentro de una capa de células en un sustrato, similar a una capa de piel. Estas células contienen señalizadores químicos (proteínas) que les permiten detectar otras células a su alrededor, así que, ya sea que los empujen o los tiren, y controlar su propio movimiento. Lo que descubrieron los científicos es que la intrincada interacción del movimiento celular, detección del medio ambiente, y los estados de activación de proteínas dentro de las células se combinan para crear ondas viajeras mecánicas y químicas acopladas en las que se codifica información direccional.

Circuitos de retroalimentacion

La onda mecánica aparece como regiones de células más densas y dispersas que se alternan en el espacio y el tiempo. La onda química aparece como actividad proteica y se desencadena por el movimiento celular y la retroalimentación mecánica. La química de las células, a su vez, impulsa los cambios de forma y el movimiento de las células, cerrando un ciclo de retroalimentación con la mecánica celular. En este sistema acoplado, estas ondas mecánicas y químicas surgen espontáneamente debido a la retroalimentación y la amplificación.

En una capa normal de células sin heridas, estas ondas se propagan sin una dirección preferida, pero cuando se introduce una herida artificial en un lado, las ondas se reorientan para propagarse exclusivamente lejos de la herida. Por tanto, los investigadores plantearon la hipótesis de que las ondas podrían ser una herramienta de comunicación, permitiendo que las células muy alejadas de la herida, y por lo tanto no "verla" directamente, sientan qué camino tomar.

Leyendo las olas

Una onda de densidad hace que los vecinos de una celda la empujen y tiren de ella en la dirección en la que viaja la onda. Dado que las fuerzas ejercidas sobre la celda son iguales y opuestas entre las crestas y valles de cada onda, el resultado es que la celda simplemente se mueve pequeñas distancias hacia adelante y hacia atrás sin ningún movimiento neto. En efecto, la celda no tiene forma de saber la dirección de la que proviene la onda y, por lo tanto, no tiene información sobre la ubicación de la herida.

Aquí es donde entra en juego la segunda ola de actividad de las proteínas. Golpea la célula ligeramente después de la onda de densidad debido al retraso que tardan las proteínas en activarse. Y debido a que la actividad de las proteínas controla la velocidad a la que se mueven las células, un retraso entre las dos ondas permite que las células se muevan rápidamente cuando son tiradas en la dirección de la herida, y lentamente al ser empujado. De este modo, las células pueden romper la simetría y comenzar a moverse en la dirección preferida hacia la herida.

Experimentos fuera de equilibrio

Los investigadores de la Universidad de Kyoto observaron este comportamiento fuera de equilibrio de la cicatrización de heridas durante experimentos in vitro con células reales sobre un sustrato. Utilizaron una técnica de microscopía novedosa que les permitió medir la actividad de las proteínas dentro de cada célula:la proteína se modificó para que se iluminara cuando se activara, revelando así ondas de activación de proteínas que se propagaban por toda la capa celular. Los investigadores pudieron predecir cuantitativamente los patrones de onda, que luego también observaron experimentalmente. Más sorprendente, también encontraron que el retraso entre las dos ondas estaba cerca del óptimo teóricamente predicho para permitir que las células extraigan la máxima información de las ondas.

Este mecanismo de autoorganización es notable por permitir una comunicación de dirección robusta y espontánea a grandes distancias dentro de las capas celulares. Demuestra una forma en la que el comportamiento coordinado puede surgir en nuestros cuerpos ayudándolos a sanar y crecer.