En la etapa más temprana de la vida, los animales sufren algunas de sus transformaciones físicas más espectaculares. Una vez meras gotas de células en división, comienzan a reorganizarse en sus formas más características, sean peces, pájaros o humanos. Entender cómo las células actúan juntas para construir tejidos ha sido un problema fundamental en física y biología.

Ahora, El profesor Otger Campàs de la UC Santa Bárbara, quien también ocupa la Cátedra Mellichamp en Biología de Sistemas y Bioingeniería, y Sangwoo Kim, becario postdoctoral en el laboratorio del profesor Campàs, se han acercado a esta pregunta, con hallazgos sorprendentes.

"Cuando hay muchas células que interactúan físicamente entre sí, ¿Cómo se comporta el sistema colectivamente? ¿Cuál es el estado físico del conjunto? ”Dijo Campàs.

En efecto, él explicó, El tejido celular embrionario es un "material extraño, "con cada célula consumiendo energía química y usándola para aplicar fuerzas a sus vecinas y coordinar sus acciones. Los estudios in vitro con células en placas sintéticas proporcionan solo una parte de la imagen, añadió; mediante el estudio de las células en su entorno nativo, el embrión vivo, podrían descubrir cómo las células controlan su estado colectivo y las transiciones de fase que surgen de su sinfonía de empujones y tirones.

En un artículo publicado en Física de la naturaleza , Campàs, Kim y sus colegas informan del desarrollo de un marco computacional que captura las diversas interacciones entre las células y las conecta con la dinámica del tejido embrionario. A diferencia de las simulaciones anteriores, este marco tiene en cuenta varias características clave relevantes para las interacciones celulares, como espacios entre celdas, formas celulares y fluctuaciones de tensión donde las células se encuentran.

"Para comprender completamente el comportamiento físico de los tejidos embrionarios, Todos los aspectos clave de los tejidos embrionarios a escala celular deben tenerse en cuenta en el modelo, ya que las propiedades de los tejidos emergentes se derivan de interacciones a escala celular. "dijo Kim, el autor principal del estudio. "Existen numerosos modelos para estudiar tejidos embrionarios, pero no existe un marco general que incluya esas características clave, obstaculizar la comprensión holística de los comportamientos físicos de los tejidos embrionarios ".

Jiggling Cells

Tejido embrionario, según los investigadores, se comporta físicamente como una espuma acuosa, un sistema compuesto por bolsas de aire individuales agrupadas en un líquido. Piense en espuma de jabón o espuma de cerveza.

"En el caso de la espuma, su estructura y dinámica se rigen por la tensión superficial, "Dijo Kim. Se encuentran fuerzas análogas donde las células entran en contacto entre sí en el tejido embrionario, en ambas caras internas de las membranas celulares y entre las células.

"Las fuerzas efectivas que actúan sobre las uniones de célula a célula se rigen por la tensión cortical y la adhesión de célula a célula, "Kim dijo, "por lo que la fuerza neta en los contactos de celda a celda puede modelarse como una tensión superficial efectiva".

Sin embargo, a diferencia de las fuerzas más estáticas entre las células en las espumas típicas, las fuerzas entre las células del tejido embrionario son dinámicas.

"Las células de los tejidos no generan fuerzas estáticas, sino mostrar empujes y tirones dinámicos a lo largo del tiempo, "Campàs explicó." Y encontramos que son en realidad estas fluctuaciones de tensión las que efectivamente 'derriten' el tejido en un estado fluido. "Es esta fluidez del tejido lo que permite que las células reorganicen y den forma a los tejidos, él explicó.

Los investigadores pusieron su modelo a prueba midiendo cómo las fuerzas cambian con el tiempo en el pez cebra embrionario. un organismo modelo popular para aquellos que estudian el desarrollo de vertebrados. Apoyándose en una técnica desarrollada en el Campàs Lab que utiliza diminutas gotas magnéticas insertadas entre células en embriones de pez cebra, pudieron confirmar, por la forma en que la gota se deformó, las fuerzas dinámicas detrás del estado fluido del tejido.

Su hallazgo de que las fluctuaciones de tensión son responsables de la fluidez del tejido durante el desarrollo contrasta con la noción generalmente aceptada de que los cambios en la adhesión entre las células es el factor crítico que controlaba la fluidez del tejido, si la adhesión entre las células alcanzaba un cierto umbral alto. , el tejido se volvería fluido.

"Pero dado que las fuerzas y tensiones celulares fluctúan en los embriones, podría ser que estos desempeñaran un papel importante en la fluidización tisular, ", Dijo Campàs." Así que cuando ejecutamos las simulaciones e hicimos los experimentos, nos dimos cuenta de que en realidad la sacudida era mucho más importante para la fluidización que la adhesión. "El estado fluido del tejido es el resultado de la dinámica de fuerzas, en lugar de cambios en la tensión o adhesión celular estática.

Los hallazgos de este estudio podrían tener implicaciones en el campo de la física, particularmente en el ámbito de la materia activa:sistemas de muchas unidades individuales que cada una consume energía y aplica fuerzas mecánicas que exhiben colectivamente comportamientos colectivos emergentes. El estudio también podría informar estudios en biología, en investigaciones de cómo los cambios en los parámetros de las células individuales podrían controlar el estado global del tejido, como con el desarrollo embrionario o con los tumores.