Un equipo de investigadores revela interacciones ocultas entre partículas en la superficie celular

Las interacciones ultrasuaves pueden detectarse mediante mediciones de alta velocidad y análisis de frecuencia

18.07.2023 - Alemania

¿Es posible que en la mayoría de las mediciones en el campo de las ciencias de la vida, las interacciones importantes permanezcan ocultas dentro de la célula o en la superficie celular? Esta pregunta ha intrigado durante años al equipo del Prof. Dr. Alexander Rohrbach, especialista en láser y biofísica de la Universidad de Friburgo. Él y su colega, el Dr. Felix Jünger, han estado investigando diversas interacciones de partículas del tamaño de bacterias, es decir, de unos pocos micrómetros, e incluso de virus, de alrededor de 0,1 micrómetros, en diferentes superficies celulares. Con la ayuda de una refinada tecnología de medición láser y de métodos de análisis matemático, han conseguido hacer visibles interacciones hasta ahora ocultas. Los resultados se han publicado en la revista Small. En el futuro, podrían ayudar a comprender mejor cómo se unen las distintas partículas a las células, ya sean virus, bacterias, polvo fino, restos celulares o principios activos recubiertos de micelas.

La viscoelasticidad determina el comportamiento

Las propiedades viscoelásticas de las superficies celulares desempeñan aquí un papel decisivo. Rohrbach cita como ejemplo una solución de almidón. "Si se echa una cantidad suficiente de almidón de maíz en un recipiente con agua y se camina rápidamente sobre él, se puede pisar el líquido. Lo único que se siente es una superficie elástica. Pero si caminas despacio o te detienes, te hundes y sientes el líquido alrededor de tus pies". Así que, dependiendo de la escala temporal de actuación, la solución es elástica o viscosa. El espectador ve a una persona con los pies secos o mojados saliendo de la bañera.

Las células biológicas están formadas por diminutas estructuras moleculares, que sólo son visibles con los mejores microscopios. Todas reaccionan a la presión o la tensión en parte de forma elástica, es decir, almacenan energía, y en parte de forma viscosa, es decir, pierden energía. Cada célula individual es un sistema viscoelástico y determina así las propiedades viscoelásticas, por ejemplo, del músculo o del tejido conjuntivo. Casi todas las células tienen su propia matriz extracelular altamente especializada: un entramado de moléculas filamentosas, de fibras finas y de finas protuberancias en forma de dedos. Esta compleja superficie celular influye en la captación de partículas como virus, bacterias o partículas. "Durante la transducción de señales, la matriz extracelular distingue no sólo en función del tamaño, la forma y la superficie de las partículas, sino también de la rapidez o lentitud con que las partículas de difusión térmica entran en contacto con la superficie, es decir, actúa como un tamiz espacial y temporal para las señales mecánicas", explica Rohrbach.

Tecnología de medición extremadamente rápida

Utilizando el llamado microscopio de fuerza fotónica, una combinación de pinzas ópticas láser y un sistema interferométrico de detección de 4 cuadrantes, el biofísico Jünger acercó por primera vez perlas de un micrómetro a células vivas en numerosos experimentos. La partícula, que sirve de sonda, queda atrapada en el foco del láser, pero aún así realiza pequeños movimientos temblorosos, conocidos como fluctuaciones térmicas de posición. Estos movimientos se miden tridimensionalmente un millón de veces por segundo, y con una precisión de unos pocos nanómetros. Sin embargo, las señales de posición de la partícula, de aspecto ruidoso, contienen información crucial sobre la interacción con su entorno.

Si ahora la partícula se acerca lentamente a la superficie de la célula con unas pinzas ópticas o si se presenta a la célula a una distancia corta y constante, al cabo de unos segundos comienza la interacción de la partícula con las finas estructuras de la matriz extracelular. Si se observa el histograma de posiciones, es decir, una distribución de todas las posiciones de las partículas, no se apreciará prácticamente ninguna diferencia en la distribución antes y después de la interacción. La interacción está oculta. "El rápido muestreo de la señal nos permitió realizar por primera vez transformaciones integrales de Kramers-Kronig para las fluctuaciones térmicas de las partículas, lo que nos permite visualizar el comportamiento elástico y viscoso de las estructuras celulares a diferentes frecuencias de movimiento", explica Jünger. Rohrbach añade: "Sin embargo, para dar sentido a estas dos respuestas en frecuencia, hay que empaquetar la idea de lo que ocurre a nivel molecular en ecuaciones matemáticas y luego comparar lo bien que coinciden las soluciones de estas ecuaciones con los resultados experimentales."

Modelo matemático mínimo en el dominio de la frecuencia

Para ello, los investigadores de Friburgo idearon un modelo matemático mínimo en el dominio de la frecuencia, que puede adaptarse inesperadamente bien al comportamiento viscoelástico en diferentes métodos de medición en distintas células. Analizando las fluctuaciones de la sonda, Jünger y Rohrbach pudieron determinar, por ejemplo, propiedades importantes de la matriz pericelular (PCM) de las células epiteliales intestinales, formada por filamentos de ácido hialurónico en forma de malla. "Pudimos medir el grosor de la PCM de 350 nanómetros sólo en la escala de microsegundos; en escalas de tiempo más largas, la PCM era simplemente invisible", afirma Rohrbach. La elasticidad del PCM, de sólo unos seis pascales a una dinámica de milisegundos, pero de unos 20 pascales a una dinámica de microsegundos, podría explicar, por ejemplo, por qué los virus pequeños y muy dinámicos tienden a rebotar en el PCM de forma más elástica desde un punto de vista físico, mientras que las bacterias más grandes y menos dinámicas tienden a hundirse en el PCM, precisamente porque es menos elástico a escalas de tiempo mayores.

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