McCarthy y sus asociados postdoctorales Raj Kumar Manna y Ojan Damavandi desarrollaron un modelo que identificó un comportamiento colectivo inesperado entre partículas computacionales con implicaciones para futuras investigaciones médicas básicas y bioingeniería.

"Es muy difícil incluir un artículo en Physical Review Letters ", dijo M. Lisa Manning, coautora y profesora de Física William R. Kenan, Jr., así como directora fundadora del Instituto BioInspired de la Universidad de Syracuse. "Sus pares científicos deben juzgarlo como excepcional". P>

McCarthy, nativa de Nueva Jersey, eligió Syracuse por su "tremenda energía", dijo. "El lado educativo y de investigación fue increíble. Llegué planeando estudiar física y hacer medicina. Me encantaban la física y la biología, y quería involucrarme en la atención médica y la medicina. Y tuve la suerte de conocer a La Dra. Manning era estudiante de primer año y ella me introdujo en la biofísica computacional. Comencé a investigar durante mi primer año, lo cual es extremadamente inusual."

"Erin aprendió a codificar desde cero y luego hizo horas y horas de simulaciones, lo que requirió mucha perseverancia", dijo Manning. "Es simplemente un testimonio fantástico de su ética de trabajo y brillantez que este artículo haya aparecido en una revista tan prestigiosa".

El equipo de investigación utilizó modelos de física computacional para descubrir los mecanismos subyacentes que hacen que las partículas se clasifiquen espontáneamente en diferentes grupos.

Aprender cómo se comportan las partículas en modelos físicos podría proporcionar información sobre cómo las partículas biológicas vivas (células, proteínas y enzimas) se remezclan durante el desarrollo.

En las primeras etapas de un embrión, por ejemplo, las células comienzan en mezclas heterogéneas. Las células deben autoclasificarse en diferentes compartimentos para formar tejidos distintos y homogéneos. Este es uno de los principales comportamientos celulares colectivos que intervienen durante el desarrollo de tejidos y órganos y la regeneración de órganos.

"Las células necesitan poder organizarse adecuadamente, segregándose para realizar su trabajo", afirmó McCarthy. "Queríamos entender, si eliminamos la química y nos fijamos estrictamente en la física, ¿cuáles son los mecanismos mediante los cuales esta reorganización puede ocurrir espontáneamente?"

Investigaciones físicas anteriores encontraron que las partículas se separan cuando algunas reciben una sacudida de temperatura más alta. A medida que a una población de partículas se le inyecta energía a pequeña escala, se vuelve activa (o "caliente"), mientras que la otra población queda inactiva o "fría". Esta diferencia de calor provoca una reorganización entre las dos poblaciones. Estos modelos son versiones simplificadas de sistemas biológicos que utilizan la temperatura para aproximar la energía y el movimiento celular.

"Las partículas calientes empujan a las partículas frías hacia un lado para que puedan ocupar un espacio más grande", dijo el coautor Manna. "Pero eso sólo ocurre cuando existe una brecha entre las partículas."

Los modelos anteriores identificaron el comportamiento de partículas autoclasificadas en densidades intermedias menos compactas.

Pero el equipo de Syracuse encontró algo sorprendente. Después de inyectar energía en una población de partículas de alta densidad, las partículas calientes no empujaron a las frías. Las partículas calientes carecían de espacio para hacerlo.

Esto es importante porque las partículas biológicas (proteínas en las células y células en los tejidos) suelen vivir en espacios reducidos y abarrotados.

"Tu piel, por ejemplo, es un ambiente muy denso", dijo McCarthy. "Las células están tan juntas que no hay espacio entre ellas. Si queremos aplicar estos hallazgos de la física a la biología, debemos buscar densidades altas para que nuestros modelos sean aplicables. Pero a densidades muy altas, la diferencia de actividad entre dos las poblaciones no hace que se ordenen."

Debe haber algún otro mecanismo de autoclasificación en juego en biología. "La temperatura o la inyección activa de energía no siempre separa las cosas, por lo que no se puede utilizar en biología", dijo Manning. "Debes buscar algún otro mecanismo."

Para Manning, este estudio ilustra las fortalezas de la Universidad de Syracuse. "El hecho de que un estudiante universitario encabezara esta investigación habla de la asombrosa calidad de los estudiantes que tenemos en la Universidad de Syracuse, que son tan buenos como los de cualquier parte del mundo, y de la excepcionalidad de la propia Erin", afirmó Manning.

Manna, mentora postdoctoral de la última parte del proyecto de McCarthy, fue esencial para llevarlo a su conclusión. "El estudio no se habría realizado sin él", dijo Manning. "Esto demuestra que podemos reclutar asociados postdoctorales destacados para Syracuse porque somos una gran universidad de investigación". Manna es ahora becario postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad Northeastern.

McCarthy, tecnólogo de investigación en un laboratorio biológico de la Facultad de Medicina de la Universidad Northwestern, planea comenzar a postularse para la escuela de posgrado.

"En Syracuse", dijo McCarthy, "aprendí cuánto amo la investigación y quiero que sea parte de mi futuro".

Más información: Erin McCarthy et al, Desmezcla en mezclas binarias con difusividad diferencial a alta densidad, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.098301

Información de la revista: Cartas de revisión física

Proporcionado por la Universidad de Syracuse