La enfermedad de la malaria es provocada por parásitos unicelulares que se acumulan en grandes grupos en las glándulas salivales de los mosquitos antes de transmitirse a los seres humanos. El espacio limitado allí les impide moverse, a menos que esta restricción se levante por medio de una preparación experimental adecuada. En un conjunto de experimentos de este tipo, los investigadores de la Universidad de Heidelberg pusieron en movimiento a los patógenos y analizaron los datos de imagen adquiridos utilizando métodos de procesamiento de imágenes de última generación. Los datos muestran que los patógenos que se mueven colectivamente forman sistemas de vórtice que están determinados en gran medida por principios físicos. Simulaciones especiales por computadora ayudaron a identificar los mecanismos subyacentes a estos movimientos giratorios.

El movimiento colectivo de organismos biológicos es un fenómeno común en el mundo natural. Los insectos y los peces, por ejemplo, tienden a moverse en enjambres. A menudo, el movimiento colectivo también ocurre a nivel celular, como cuando las células cancerosas migran de un tumor o las bacterias forman una biopelícula. La colaboración de muchos individuos puede dar lugar al llamado comportamiento emergente:nuevas características que de otro modo no existirían de esta forma.

"En física, la colectividad crea procesos tan importantes como las transiciones de fase, la superconductividad y las propiedades magnéticas", explica el Prof. Dr. Ulrich Schwarz, jefe del grupo de trabajo de Física de Biosistemas Complejos del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Heidelberg. En un estudio interdisciplinario junto con el Prof. Dr. Friedrich Frischknecht (investigación sobre la malaria) y el Prof. Dr. Karl Rohr (análisis de imágenes biomédicas), demostró que el movimiento colectivo también puede ocurrir en Plasmodium, el agente causante de la malaria.

El organismo unicelular se inyecta en la piel a través de la picadura de un mosquito, desarrollándose primero en el hígado y luego en la sangre. Debido a que Plasmodium actúa como una sola célula en la mayoría de sus etapas, hasta ahora apenas se habían estudiado sus propiedades colectivas. En la glándula salival del mosquito, el parásito tiene una forma alargada y curva, similar a una luna creciente, y se conoce como esporozoíto. "Tan pronto como el mosquito inyecta esporozoitos en la piel, los parásitos individuales comienzan a moverse rápidamente hacia los vasos sanguíneos. Esta es la fase crítica de la infección, porque solo tiene éxito si un patógeno llega al torrente sanguíneo", dice el profesor. Frischknecht.

En sus estudios en el Centro de Enfermedades Infecciosas del Hospital Universitario de Heidelberg, Friedrich Frischknecht y su equipo descubrieron que los parásitos en las glándulas salivales infectadas pueden movilizarse como un colectivo. Para hacerlo, se diseccionan las glándulas salivales del mosquito y se presionan con cuidado entre dos pequeñas placas de vidrio. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que las células en forma de luna creciente forman vórtices giratorios en la nueva preparación. Recuerdan a los movimientos colectivos de bacterias o peces, aunque se diferencian en que siempre giran en el mismo sentido. Por lo tanto, los vórtices parásitos tienen un carácter quiral y, de forma igualmente inesperada, fluctúan en tamaño. Según el Prof. Frischknecht, estas oscilaciones apuntan a características emergentes, ya que solo son posibles en el conjunto de las células en movimiento y se fortalecen en vórtices más grandes.

Para comprender estos fenómenos con mayor precisión, los datos experimentales se analizaron cuantitativamente. Los grupos de Ulrich Schwarz y Karl Rohr, jefe del Grupo Biomédico de Visión por Computador en el Centro BioQuant de la Universidad de Heidelberg, utilizaron métodos de procesamiento de imágenes de vanguardia para este propósito. Pudieron rastrear parásitos individuales en los vórtices giratorios y medir tanto su velocidad como su curvatura.

Usando las llamadas simulaciones por computadora basadas en agentes, fue posible identificar con precisión aquellas leyes que pueden explicar todos los aspectos de las observaciones experimentales. La interacción del movimiento activo, la forma curva de la célula y la quiralidad junto con la flexibilidad mecánica es suficiente para explicar los fenómenos de clasificación y oscilación en los vórtices parásitos. Las oscilaciones que observaron los científicos surgen porque el movimiento de los patógenos individuales se convierte en energía elástica que se almacena en el vórtice. "Nuestro nuevo sistema modelo ofrece la oportunidad de comprender mejor la física de los colectivos con propiedades elásticas y tal vez hacerlos utilizables para aplicaciones técnicas en el futuro", afirma el físico Ulrich Schwarz.

En el próximo paso, los investigadores investigarán exactamente cómo se produce la quiralidad del movimiento. La estructura de los esporozoítos sugiere diferentes posibilidades que pueden estudiarse en experimentos con mutaciones genéticas. Las simulaciones informáticas iniciales ya han demostrado que los parásitos que giran a la derecha ya la izquierda se segregan rápidamente y generan sistemas de vórtice separados. Una mejor comprensión de los mecanismos moleculares subyacentes podría abrir nuevas vías para interrumpir el movimiento de los esporozoitos al comienzo de cada infección de malaria. "En cualquier caso, nuestro estudio ha demostrado que la mecánica de los patógenos juega un papel extremadamente importante y hasta ahora pasado por alto, un hallazgo que también abre nuevas perspectivas para las intervenciones médicas", dice Frischknecht.

El trabajo de investigación se llevó a cabo en el marco del Centro de Investigación Colaborativa 1129, "Análisis Integrativo de la Replicación y Propagación de Patógenos", con sede en la Facultad de Medicina de Heidelberg de la Universidad de Heidelberg. Los resultados del estudio interdisciplinario se publicaron en la revista Nature Physics . + Explora más

Los investigadores utilizan la optogenética y el modelado matemático para identificar una molécula central en la mecánica celular