Los parásitos de la malaria forman vórtices
Nuevas perspectivas para las intervenciones médicas
La enfermedad del paludismo es provocada por parásitos unicelulares que se acumulan en grandes grupos en las glándulas salivales de los mosquitos antes de su transmisión a los seres humanos. El limitado espacio que ocupan allí les impide desplazarse, a menos que se levante esta restricción mediante una preparación experimental adecuada. En este tipo de experimentos, los investigadores de la Universidad de Heidelberg han puesto en movimiento a los patógenos y han analizado los datos de las imágenes adquiridas utilizando métodos de vanguardia de procesamiento de imágenes. Los datos muestran que los patógenos en movimiento colectivo forman sistemas de vórtices que están determinados en gran medida por principios físicos. Unas simulaciones informáticas especiales ayudaron a identificar los mecanismos que subyacen a estos movimientos giratorios.
La figura combina la imagen de microscopía confocal de los vórtices de esporozoítos con la instantánea de una simulación informática basada en agentes de estos vórtices.
Frischknecht group and Schwarz group (Paper in Nature Physics)
El movimiento colectivo de los 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 se produce a nivel celular, como cuando las células cancerosas migran desde un tumor o las bacterias forman una biopelícula. La colaboración de muchos individuos puede dar lugar a los llamados comportamientos emergentes, es decir, nuevas características que no existirían de otra 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 "Física de los Biosistemas Complejos" del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Heidelberg. En un estudio interdisciplinar junto con el Prof. Dr. Friedrich Frischknecht (investigación sobre la malaria) y el Prof. Dr. Karl Rohr (análisis de imágenes biomédicas), ha demostrado que el movimiento colectivo también puede producirse en el Plasmodium, el agente causante de la malaria.
Este 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. Dado que el Plasmodium actúa como una sola célula en la mayoría de sus etapas, hasta ahora apenas se estudiaban sus propiedades colectivas. En la glándula salival del mosquito, el parásito tiene una forma alargada y curvada, similar a una luna creciente, y se conoce como esporozoito. "En cuanto el mosquito inyecta los esporozoítos en la piel, los parásitos individuales comienzan a desplazarse rápidamente hacia los vasos sanguíneos. Esta es la fase crítica de la infección, porque sólo tiene éxito si el patógeno llega al torrente sanguíneo", subraya 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 de las glándulas salivales infectadas pueden movilizarse como un colectivo. Para ello, se diseccionan las glándulas salivales del mosquito y se presionan cuidadosamente entre dos pequeñas placas de cristal. 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 las bacterias o los peces, aunque difieren en que siempre giran en la misma dirección. Los vórtices del parásito tienen, por tanto, un carácter quiral y -también inesperadamente- fluctúan en tamaño. Según el profesor Frischknecht, estas oscilaciones apuntan a características emergentes, ya que sólo son posibles en el colectivo de las células en movimiento y se intensifican en los vórtices más grandes.
Para comprender estos fenómenos con mayor precisión, se analizaron cuantitativamente los datos experimentales. Para ello, los grupos de Ulrich Schwarz y Karl Rohr, jefe del Grupo de Visión Informática Biomédica del Centro BioQuant de la Universidad de Heidelberg, utilizaron métodos punteros de procesamiento de imágenes. Pudieron rastrear parásitos individuales en los vórtices giratorios y medir tanto su velocidad como su curvatura. Mediante las llamadas simulaciones informáticas basadas en agentes, fue posible identificar con precisión las leyes que pueden explicar todos los aspectos de las observaciones experimentales. La interacción del movimiento activo, la forma curvada de la célula y la quiralidad, junto con la flexibilidad mecánica, es suficiente para explicar los fenómenos de clasificación y oscilación en los vórtices de los parásitos. Las oscilaciones que los científicos observaron 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 quizás hacerlos utilizables para aplicaciones técnicas en el futuro", afirma el físico Ulrich Schwarz.
En el siguiente paso, los investigadores investigarán exactamente cómo se produce la quiralidad del movimiento. La estructura de los esporozoitos sugiere diferentes posibilidades que pueden estudiarse en experimentos con mutaciones genéticas. Las primeras simulaciones por ordenador ya han demostrado que los parásitos que giran a la derecha y a la izquierda se segregan rápidamente y generan sistemas de vórtices separados. Una mejor comprensión de los mecanismos moleculares subyacentes podría abrir nuevas vías para interrumpir el movimiento de los esporozoítos al inicio de cada infección de malaria. "En cualquier caso, nuestro estudio ha demostrado que la mecánica de los patógenos desempeña un papel extremadamente importante y hasta ahora ignorado, un hallazgo que también abre nuevas perspectivas para las intervenciones médicas", explica el infectólogo Friedrich Frischknecht.
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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