Los filamentos celulares mantienen el ritmo

El estudio sienta las bases para una multitud de aplicaciones potenciales

11.08.2021 - Alemania

Un nuevo modelo describe la coordinación de los cilios que laten y permite predecir su comportamiento funcional. Investigadores del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización (MPIDS) analizaron la formación de ondas metacrónicas en conjuntos de cilios y cómo pueden influir en ellas las señales externas. El modelo permite comprender mejor el papel crucial que desempeñan los cilios en muchos procesos biológicos y sienta las bases para su manipulación. En última instancia, esto puede mejorar los diagnósticos y tratamientos médicos correspondientes, pero también ayuda al diseño de sistemas artificiales utilizados en la ingeniería a microescala.

Los cilios son estructuras filamentosas con forma de pelo que se encuentran en casi todas las células del cuerpo humano. Dependiendo del tejido, cumplen una gran cantidad de tareas esenciales, como el transporte de moco en la tráquea, el acceso a los nutrientes y la inducción de la asimetría izquierda-derecha durante el desarrollo embrionario. En su papel de controladores del transporte de fluidos a gran escala, los cilios móviles experimentan golpes cíclicos. De este modo, comunican señales mecánicas a los cilios vecinos y crean colectivamente las llamadas ondas metacrónicas. Normalmente, miles de cilios participan en la creación de una onda de este tipo, por lo que su movimiento debe estar bien regulado para garantizar -y optimizar- su función biológica. Debido a la abrumadora complejidad y a la naturaleza multiescalar del fenómeno, hasta ahora se carecía de una comprensión mecánica de la autoorganización de los cilios en ondas metacronales. "Nuestro modelo permite comprender en profundidad la organización de los conjuntos de cilios", explica el profesor Ramin Golestanian, investigador principal del estudio y director del Departamento de Física de la Materia Viva del MPIDS. "Por primera vez, somos capaces de predecir los parámetros y propiedades de una onda metacrónica en formación".

El comportamiento de los cilios depende de factores externos e internos

La creación de este tipo de modelos para los conjuntos de cilios es esencial para comprender cómo los factores externos e internos pueden influir en el funcionamiento del sistema. Por ejemplo, los cambios en la concentración de determinadas sustancias químicas o componentes del entorno inducen cambios a pequeña escala y, por tanto, podrían alterar las ondas emergentes y provocar una disfunción sistémica. Para entender esto, necesitamos una descripción multiescalar del fenómeno. Desde los trabajos pioneros de G.I. Taylor hace muchas décadas, se sabe que las interacciones hidrodinámicas entre los cilios pueden conducir a la coordinación entre ellos. En otras palabras: La coordinación de los cilios se explica debido a que el flujo emergente del trazo de un cilio afecta al comportamiento de todo el conjunto, lo que en última instancia provoca la onda metacronal. El nuevo modelo, propuesto por Fanlong Meng, Rachel Bennett, Nariya Uchida y Ramin Golestanian, permite dar cuenta de las condiciones de muchos cilios que laten independientemente y que coordinan sus trazos. En su modelo, los autores se centran en propiedades fundamentales de los cilios, como sus diferentes armónicos de batido o sus características genómicas. Al combinarlas con las características o las ondas emergentes, crean un potente marco teórico que describe los conjuntos de cilios.

Así, el nuevo modelo es capaz de explicar tanto las propiedades alteradas como de hacer predicciones sobre el comportamiento colectivo de un conjunto ciliar. "Como esto permite comprender mejor la organización a microescala, el estudio sienta las bases para una multitud de aplicaciones potenciales", añade Golestanian. Entre ellas, la evaluación diagnóstica del mal funcionamiento en muestras biológicas, nuevos enfoques para tratamientos médicos que manipulen el comportamiento de los cilios o la ingeniería de sistemas artificiales mediante ondas metacrónicas.

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