Cómo las fuerzas locales deforman las membranas lipídicas
El conocimiento alimenta el desarrollo de mejores sistemas de modelos mínimos y células artificiales
Los investigadores del ETH Zurich han podido demostrar por qué las células biológicas pueden adoptar una variedad tan asombrosa de formas: tiene que ver con cómo el número y la fuerza de las fuerzas locales que actúan sobre la membrana celular desde el interior. Este conocimiento alimenta el desarrollo de mejores sistemas de modelos mínimos y células artificiales.
Las partículas autopropulsadas (cuentas azul-verde) actúan sobre la membrana desde el interior y hacen que se formen formas inusuales.
Ella Maru Studio / ETH Zürich
Proyecciones espinosas, largos flagelos o fibras, bultos deformes: las células biológicas pueden formar casi cualquier estructura de membrana compleja. Estas estructuras ayudan a las células a percibir los estímulos externos, a ponerse en contacto con otras células o a explorar activamente su entorno.
Para que se produzcan formas tan diversas, se requieren fuerzas locales que actúen sobre la membrana lipídica exterior desde el interior. En las células, es tarea de los componentes del citoesqueleto (por ejemplo, los filamentos de actina y los microtúbulos) ejercer tales fuerzas sobre la membrana que se producen deformaciones. Sin embargo, las bacterias causantes de enfermedades que invaden las células también pueden producir fenómenos similares. La listeria, los patógenos que causan la inflamación intestinal, son un ejemplo conocido. Deformar la membrana de esta manera permitiría a la larga que la bacteria infectara las células vecinas sanas.
Los investigadores llevan mucho tiempo utilizando grandes vesículas rodeadas de una doble membrana lipídica para investigar tales procesos. En otras palabras, un sistema simple y manejable que imita a las células biológicas. La respuesta mecánica de tales membranas lipídicas es fascinante, ya que al mismo tiempo proporciona una cubierta estable que regula las interacciones de una célula con el medio ambiente, pero por otro lado, es bastante deformable. Interrogar las fascinantes propiedades mecánicas de tales membranas tiene un interés tanto práctico como fundamental, especialmente desde la perspectiva de la ciencia de los materiales. Sin embargo, hasta ahora no ha sido posible ejercer fuerzas controladas desde el interior de tales vesículas de manera que se llegue a las estructuras observadas en las células naturales.
Los micro-nadadores son la clave de los sistemas biométricos
Ahora un grupo de investigadores dirigidos por Jan Vermant, profesor de materiales blandos en el ETH de Zurich, ha encontrado una solución a este problema previamente no resuelto. Llenaron las vesículas con partículas de tamaño micrométrico que tienen la capacidad de moverse independientemente dentro de la vesícula. Cuando estas partículas colisionan aleatoriamente con la membrana, generan fuerzas locales que conducen a la formación de ataduras, antenas y otras estructuras.
"No sólo hemos logrado crear un sistema artificial muy simplificado que imita muy bien a las células", dice Rao Vutukuri, becario de Marie Skłodowska-Curie en el grupo de Vermant, "sino que, gracias a este enfoque, también hemos podido aclarar la física de los materiales y la mecánica de las membranas hechas de capas de doble lípido". Su estudio fue publicado recientemente en la revista Nature, con Vutukuri como autor principal.
En colaboración con los investigadores del Forschungszentrum Jülich, Alemania, los investigadores del ETH también combinaron sus experimentos con simulaciones informáticas a gran escala para comprender mejor el mecanismo subyacente exacto de las grandes deformaciones de la membrana observadas. Al hacerlo, pudieron mostrar cómo las partículas autopropulsadas producen una variedad de formas inusuales. Las observaciones experimentales y las simulaciones coincidieron bien.
Las fuerzas locales desencadenan una variedad de formas
Ambos enfoques muestran que las partículas colisionan primero con la membrana de las vesículas en puntos aleatorios - y al hacerlo desencadenan efectos similares a los de Listeria en una célula real. El punto en el que una partícula golpea la superficie crea una curvatura local de la membrana que atrae a otras partículas. La membrana se abulta más y más y pronto forma proyecciones o flagelos espinosos.
Sin embargo, si las vesículas se deforman o no depende de la medida en que están llenas de partículas. "Menos es más en este caso", dice Vutukuri. De hecho, cuantas más partículas contenían las vesículas, menos reaccionaba la membrana a las fuerzas puntuales ejercidas por las partículas. Las condiciones más propicias fueron cuando las partículas llenaron alrededor del 3 % de la vesícula, lo que llevó a la formación de las estructuras de membrana más locas. Las deformaciones de este tipo también pueden retroceder. "El sistema es muy dinámico", dice Vutukuri, "pero ahora se pueden predecir las transiciones de forma".
"Aunque nuestras vesículas no representan completamente la complejidad de una célula real, la forma en que una estructura auto-ensamblada como una membrana reacciona a grandes deformaciones localizadas es fascinante. Su respuesta a las fuerzas activas es algo que ha sido subestimado hasta la fecha", dice el profesor Vermant de la ETH. Los investigadores del ETH creen que el estudio prepara el camino para el desarrollo de nuevos sistemas de membranas artificiales, células artificiales o pequeños robots hechos de materiales blandos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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