Las membranas celulares realizan una transición fluida entre distintas configuraciones 3D. Es una característica notable que es esencial para varios fenómenos biológicos como la división celular, la movilidad celular, el transporte de nutrientes a las células y las infecciones virales. Investigadores del Instituto Indio de Ciencias (IISc) y sus colaboradores diseñaron recientemente un experimento que arroja luz sobre el mecanismo por el cual tales procesos podrían ocurrir en tiempo real.

Los investigadores observaron las membranas coloidales, que son capas de partículas alineadas similares a varillas de un micrómetro de espesor. Las membranas coloidales proporcionan un sistema más manejable para estudiar, ya que exhiben muchas de las mismas propiedades que las membranas celulares. A diferencia de una lámina de plástico, donde todas las moléculas están inmóviles, las membranas celulares son láminas fluídicas en las que cada componente puede difundirse libremente. "Esta es una propiedad clave de las membranas celulares que también está disponible en nuestro sistema [de membrana coloidal]", explica Prerna Sharma, profesora asociada del Departamento de Física, IISc, y autora correspondiente del estudio publicado en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias .

Las membranas coloidales se componían preparando una solución de virus en forma de bastón de dos longitudes diferentes:1,2 micrómetros y 0,88 micrómetros. Los investigadores estudiaron cómo cambia la forma de las membranas coloidales a medida que aumenta la fracción de varillas cortas en la solución. "Hice múltiples muestras mezclando diferentes volúmenes de los dos virus y luego los observé bajo un microscopio", explica Ayantika Khanra, Ph.D. estudiante del Departamento de Física y primer autor del artículo.

Cuando la proporción de varillas cortas aumentó del 15 % a entre el 20 y el 35 %, las membranas pasaron de una forma similar a un disco plano a una forma similar a una silla de montar. Con el tiempo, las membranas comenzaron a fusionarse y aumentar de tamaño. Los sillines se clasificaron por su orden, que es el número de subidas y bajadas encontradas a medida que uno se mueve a lo largo del borde del sillín. Los investigadores observaron que cuando las monturas se fusionaban lateralmente, formaban una montura más grande del mismo orden o superior. Sin embargo, cuando se fusionaron en un ángulo casi recto, alejándose de sus bordes, la configuración final fue una forma de catenoide. Luego, los catenoides se fusionaron con otras monturas, dando lugar a estructuras cada vez más complejas, como trinoideos y cuatronoideos.

Para explicar el comportamiento observado de las membranas, los investigadores también propusieron un modelo teórico. Según las leyes de la termodinámica, todos los sistemas físicos tienden a moverse hacia configuraciones de baja energía. Por ejemplo, una gota de agua asume una forma esférica porque tiene menos energía. Para las membranas, esto significa que las formas con bordes más cortos, como un disco plano, son más favorecidas. Otra propiedad que juega un papel en la definición de la configuración de la membrana es el módulo de curvatura de Gauss. Una idea clave del estudio fue mostrar que el módulo de curvatura gaussiana de las membranas aumenta cuando aumenta la fracción de varillas cortas. Esto explica por qué la adición de más varillas cortas hizo que las membranas adquirieran formas similares a las de una silla de montar, que tienen menos energía. También explica otra observación de su experimento donde las membranas de bajo orden eran pequeñas en tamaño, mientras que las membranas de alto orden eran grandes.

"Hemos propuesto un mecanismo para la generación de curvatura de membranas fluídicas que es nuevo. Este mecanismo de ajuste de la curvatura cambiando el módulo de Gauss también podría estar en juego en las membranas biológicas", dice Sharma. Agrega que quieren continuar estudiando cómo otros cambios microscópicos en los componentes de la membrana afectan las propiedades a gran escala de las membranas. + Explora más

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