En sus primeras etapas, mucho antes de que broten sus característicos apéndices, el embrión de una estrella de mar se parece a una pequeña cuenta que gira en el agua como un cojinete de bolas en miniatura.

Ahora, los científicos del MIT han observado que cuando múltiples embriones de estrellas de mar giran hacia la superficie del agua, gravitan entre sí y se ensamblan espontáneamente en una estructura cristalina sorprendentemente organizada.

Aún más curioso, este "cristal viviente" colectivo puede exhibir una extraña elasticidad, una propiedad exótica por la cual el giro de unidades individuales, en este caso, embriones, desencadena ondas mucho más grandes en toda la estructura.

Los investigadores encontraron que esta configuración de cristal ondulante puede persistir durante períodos de tiempo relativamente largos antes de disolverse a medida que maduran los embriones individuales.

"Es absolutamente notable:estos embriones se ven como hermosas cuentas de vidrio, y salen a la superficie para formar esta estructura cristalina perfecta", dice Nikta Fakhri, profesora asociada de física de Thomas D. y Virginia W. Cabot Career Development en el MIT. "Al igual que una bandada de pájaros que pueden evitar a los depredadores o volar más suavemente porque pueden organizarse en estas grandes estructuras, tal vez esta estructura cristalina podría tener algunas ventajas de las que aún no somos conscientes".

Más allá de las estrellas de mar, dice, este ensamblaje de cristal ondulante y autoensamblado podría aplicarse como un principio de diseño, por ejemplo, en la construcción de robots que se muevan y funcionen colectivamente.

"Imagínese construir un enjambre de robots suaves y giratorios que puedan interactuar entre sí como estos embriones", dice Fakhri. "Podrían estar diseñados para autoorganizarse para ondular y arrastrarse por el mar para hacer un trabajo útil. Estas interacciones abren una nueva gama de física interesante para explorar".

Fakhri y sus colegas han publicado sus resultados en un estudio que aparece hoy en Nature .

Girando juntos

Fakhri dice que las observaciones del equipo de cristales de estrellas de mar fueron un "descubrimiento fortuito". Su grupo ha estado estudiando cómo se desarrollan los embriones de estrellas de mar y, específicamente, cómo se dividen las células embrionarias en las primeras etapas.

"Las estrellas de mar son uno de los sistemas modelo más antiguos para estudiar la biología del desarrollo porque tienen células grandes y son ópticamente transparentes", dice Fakhri.

Los investigadores estaban observando cómo nadan los embriones a medida que maduran. Una vez fertilizados, los embriones crecen y se dividen, formando un caparazón del que luego brotan pequeños pelos, o cilios, que impulsan al embrión a través del agua. En cierto punto, los cilios se coordinan para hacer girar un embrión en una dirección de rotación particular, o "quiralidad". Tzer Han Tan, uno de los miembros del grupo, notó que mientras los embriones nadaban hacia la superficie, continuaban girando uno hacia el otro.

"De vez en cuando, un pequeño grupo se reunía y bailaba", dice Fakhri. "Y resulta que hay otros organismos marinos que hacen lo mismo, como algunas algas. Entonces, pensamos, esto es intrigante. ¿Qué sucede si juntas muchos de ellos?"

En su nuevo estudio, ella y sus colegas fertilizaron miles de embriones de estrellas de mar y luego observaron cómo nadaban hacia la superficie de platos poco profundos.

"Hay miles de embriones en un plato y comienzan a formar esta estructura cristalina que puede crecer mucho", dice Fakhri. "Lo llamamos cristal porque cada embrión está rodeado por seis embriones vecinos en un hexágono que se repite en toda la estructura, muy similar a la estructura cristalina del grafeno".

Cristales moviéndose

To understand what might be triggering embryos to assemble like crystals, the team first studied a single embryo's flow field, or the way in which water flows around the embryo. To do this, they placed a single starfish embryo in water, then added much smaller beads to the mix, and took images of the beads as they flowed around the embryo at the water's surface.

Based on the direction and flow of the beads, the researchers were able to map the flow field around the embryo. They found that the cilia on the embryo's surface beat in such a way that they spun the embryo in a particular direction and created whirlpools on either side of the embryo that then drew in the smaller beads.

Mietke, a postdoc in Dunkel's applied mathematics group at MIT, worked this flow field from a single embryo into a simulation of many embryos, and ran the simulation forward to see how they would behave. The model produced the same crystal structures that the team observed in its experiments, confirming that the embryos' crystallizing behavior was most likely a result of their hydrodynamic interactions and chirality.

In their experiments, the team also observed that once a crystal structure had formed, it persisted for days, and during this time spontaneous ripples began to propagate across the crystal.

"We could see this crystal rotating and jiggling over a very long time, which was absolutely unexpected," she says. "You would expect these ripples to die out quickly, because water is viscous and would dampen these oscillations. This told us the system has some sort of odd elastic behavior."

The spontaneous, long-lasting ripples may be the result of interactions between the individual embryos, which spin against each other like interlocking gears. With thousands of gears spinning in crystal formation, the many individual spins could set off a larger, collective motion across the entire structure.

The researchers are now investigating whether other organisms such as sea urchins exhibit similar crystalline behavior. They are also exploring how this self-assembling structure could be replicated in robotic systems.

"You can play with this design principle of interactions and build something like a robotic swarm that can actually do work on the environment," she says. + Explora más

Researchers build embryo-like structures from human stem cells

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