Las fluctuaciones microscópicas ayudan a las bacterias a realizar su trabajo
Una publicación de Física Teórica de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) con socios estadounidenses aporta nuevos conocimientos sobre el proceso de difusión en sistemas complejos y vivos. Esto tiene implicaciones de gran alcance para las biopelículas bacterianas, los revestimientos activos e incluso los mecanismos para poder eliminar patógenos como el Covid-19.
Una alfombra activa de motores moleculares (esferas grandes de color naranja) genera fuertes campos de flujo que aumentan la difusión de las partículas (esfera pequeña de color gris).
Arnold Mathijssen
Si se deja caer tinta en un vaso de agua sin gas, la difusión hace que el agua cambie lentamente de color. Pero aunque se sabe desde hace muchas décadas cómo se pueden describir los procesos de difusión, no se sabe bien cómo funcionan en sistemas más complejos como los organismos vivos.
Un estudio ofrece nuevas perspectivas sobre el proceso de difusión de los sistemas complejos. El Prof. Dr. Hartmut Löwen del Instituto de Física Teórica II de la HHU, junto con el Prof. Dr. Arnold Mathijssen de la Universidad de Pensilvania y la Prof. Dra. Francisca Guzmán-Lastra de la Universidad de Chile en Santiago, desarrollaron un nuevo marco teórico de la difusión. Esto tiene implicaciones de gran alcance para una serie de sistemas con superficies activas, incluidas las biopelículas y los revestimientos activos. Del mismo modo, puede ser posible derivar mecanismos para eliminar los patógenos.
Prof. Löwen: "En principio, la difusión se describe mediante las llamadas leyes de Fick. Afirman que las partículas, los átomos o las moléculas siempre derivan de una zona de alta a otra de baja concentración". Así, la difusión determina la propagación de pequeñas moléculas en el cuerpo. Sin embargo, cuando las partículas a transportar se hacen más grandes -como las proteínas o las células- la difusión estándar es demasiado lenta para un verdadero transporte.
Estas partículas necesitan componentes de transporte activo. En biología, se denominan "alfombras activas": por ejemplo, los motores del citoesqueleto o los cilios que añaden pequeñas cantidades de energía al entorno para hacer más eficiente la difusión.
Incluso antes del cierre inducido por la corona, una visita a Düsseldorf estableció una colaboración internacional entre el profesor Löwen, el profesor Mathijssen y la profesora Francisca Guzmán-Lastra. Querían entender cómo el movimiento activo en los sustratos puede desencadenar flujos efectivos de disolventes.
Las biopelículas son un importante ejemplo de alfombras activas. Son capas de microorganismos -como bacterias, algas u hongos- y también organismos pluricelulares que se desarrollan en superficies donde forman una capa de limo. Estas películas son fundamentales, sobre todo en medicina, porque en ellas pueden multiplicarse los agentes patógenos, que están protegidos del sistema inmunitario por el moco.
Las bacterias de las biopelículas crean "corrientes" con sus flagelos que bombean líquido y nutrientes de su entorno. Pero, ¿cómo pueden abastecerse las biopelículas si los nutrientes sólo son accesibles de forma limitada? El profesor Löwen explica: "Pueden aumentar su consumo de alimentos generando corrientes. Pero esto también cuesta energía. La pregunta clave para nosotros era: ¿cuánta energía ponen para sacar cuánta energía?".
Para comprender tanto la dinámica bacteriana como las leyes de Fick, los investigadores desarrollaron un modelo similar a la llamada ecuación de Stokes-Einstein, que describe la relación de equilibrio entre la temperatura y la difusión. Descubrieron que las fluctuaciones microscópicas podían explicar los cambios que observaron en la difusión de las partículas. El nuevo modelo también reveló que la difusión producida por los pequeños movimientos es increíblemente eficiente, lo que permite a las bacterias obtener una gran cantidad de alimento utilizando sólo una pequeña cantidad de energía.
"Ahora hemos derivado una teoría que predice el transporte de moléculas dentro de las células o cerca de las superficies activas", dijo el profesor Guzmán-Lastra, y añadió: "Mi sueño sería ver estas teorías aplicadas en diferentes entornos biofísicos". El profesor Mathijssen señala los cilios de los pulmones, que forman la primera línea de defensa contra patógenos como el COVID-19. Son otro ejemplo importante de alfombras activas en biología: "Además de una prueba experimental general, lo más importante es saber si nuestra teoría de las alfombras activas puede relacionarse con la eliminación de patógenos en las vías respiratorias.
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 Alemán se puede encontrar aquí.
Publicación original
Más noticias del departamento ciencias
Reciba la industria de las ciencias biológicas en su bandeja de entrada
No se pierda nada a partir de ahora: Nuestro boletín electrónico de biotecnología, productos farmacéuticos y ciencias de la vida le pone al día todos los martes y jueves. Las últimas noticias del sector, los productos más destacados y las innovaciones, de forma compacta y fácil de entender en su bandeja de entrada. Investigado por nosotros para que usted no tenga que hacerlo.
