Una nueva banda de goma se estira, pero luego vuelve a su forma y tamaño originales. Estirado de nuevo hace lo mismo. Pero, ¿y si la goma elástica estuviera hecha de un material que recordara cómo se había estirado? Así como nuestros huesos se fortalecen en respuesta al impacto, Los implantes médicos o las prótesis compuestas de un material de este tipo podrían ajustarse a las presiones ambientales como las que se encuentran en el ejercicio extenuante.

Un equipo de investigación de la Universidad de Chicago está explorando las propiedades de un material que se encuentra en las células que permite que las células recuerden y respondan a la presión ambiental. En un artículo publicado el 14 de mayo, 2021 en Materia blanda, desenterraron secretos sobre cómo funciona y cómo podría algún día formar la base para fabricar materiales útiles.

Hebras de proteína, llamados filamentos de actina, actuar como huesos dentro de una célula, y una familia separada de proteínas llamadas reticuladores mantienen estos huesos juntos en un esqueleto celular. El estudio encontró que una concentración óptima de reticuladores, que se unen y se deshacen para permitir que la actina se reorganice bajo presión, permite que este andamio esquelético recuerde y responda a experiencias pasadas. Esta memoria material se llama histéresis.

"Nuestros hallazgos muestran que las propiedades de las redes de actina pueden cambiarse por la forma en que se alinean los filamentos, "dijo Danielle Scheff, un estudiante de posgrado en el Departamento de Física que realizó la investigación en el laboratorio de Margaret Gardel, Horace B. Horton Profesor de Física e Ingeniería Molecular, el Instituto James Franck, y el Instituto de Dinámica Biofísica. "El material se adapta al estrés haciéndose más fuerte".

Para comprender cómo la composición de este andamio celular determina su histéresis, Scheff mezcló un tampón que contenía actina, aislado del músculo del conejo, y reticuladores, aislado de bacterias. Luego aplicó presión a la solución, utilizando un instrumento llamado reómetro. Si se estira en una dirección, los reticulantes permitieron que los filamentos de actina se reorganizaran, Fortalecimiento contra presiones posteriores en la misma dirección.

Para ver cómo la histéresis dependía de la consistencia de la solución, ella mezcló diferentes concentraciones de reticulantes en el tampón.

Asombrosamente, estos experimentos indicaron que la histéresis era más pronunciada a una concentración óptima de reticulante; Las soluciones exhibieron una histéresis aumentada a medida que agregaba más reticuladores, pero pasado este punto óptimo, el efecto de nuevo se volvió menos pronunciado.

"Recuerdo estar en el laboratorio la primera vez que tracé esa relación y pensé que algo debía estar mal, corriendo hacia el reómetro para hacer más experimentos para verificar, "Dijo Scheff.

Para comprender mejor los cambios estructurales, Steven Redford, estudiante de posgrado en Ciencias Biofísicas en los laboratorios de Gardel y Aaron Dinner, Profesor de Química, el Instituto James Franck, y el Instituto de Dinámica Biofísica, creó una simulación computacional de la mezcla de proteínas que Scheff produjo en el laboratorio. En esta interpretación computacional, Redford ejercía un control más sistemático sobre las variables de lo que era posible en el laboratorio. Variando la estabilidad de los enlaces entre actina y sus reticulantes, Redford demostró que la desvinculación permite que los filamentos de actina se reorganicen bajo presión, alineándose con la tensión aplicada, mientras que la unión estabiliza la nueva alineación, proporcionando al tejido un "recuerdo" de esta presión. Juntos, estas simulaciones demostraron que las conexiones impermanentes entre las proteínas permiten la histéresis.

"La gente piensa que las células son muy complicadas, con mucha retroalimentación química. Pero este es un sistema simplificado en el que realmente puede comprender lo que es posible, "dijo Gardel.

El equipo espera estos hallazgos, establecido en un material aislado de sistemas biológicos, generalizar a otros materiales. Por ejemplo, el uso de reticulantes impermanentes para unir los filamentos de polímero podría permitirles reorganizarse como lo hacen los filamentos de actina, y así producir materiales sintéticos capaces de histéresis.

"Si comprende cómo se adaptan los materiales naturales, puedes llevarlo a materiales sintéticos, "dijo Dinner.