Investigadores de la Universidad de Barcelona han conseguido ordenar el flujo de un material activo, análogo a los que en la naturaleza presentan comportamientos complejos, mediante un cristal líquido y un campo magnético. El material estudiado es una suspensión acuosa de proteínas filamentosas y motoras que forman fibras autoensambladas activas.
Los sistemas activos están formados por elementos individuales que, cuando interaccionan entre sí, presentan comportamientos colectivos complejos. En la naturaleza, estos comportamientos pueden observarse en las bandadas de estorninos, en las colonias de bacterias o, a escala celular, en el crecimiento de tejidos y en el citoesqueleto.
En los últimos años, se han diseñado materiales activos sintéticos análogos a estos sistemas naturales con el propósito de analizar sus rasgos más fundamentales. Entre estos materiales, se encuentran los llamados geles activos que, al contrario de los líquidos habituales, tienen cierto grado de orden interno, y al mismo tiempo, una dinámica propia.
Ahora un equipo de investigadores de la Universidad de Barcelona ha conseguido controlar el orden y los flujos de uno de estos materiales activos poniéndolo en contacto con un cristal líquido pasivo controlado por un campo magnético.
Francesc Sagués, catedrático del Departamento de Ciencia de los Materiales y Química Física y miembro del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la UB (IN2UB), lo explica así: "El material utilizado está formado por extractos celulares: de hecho, podríamos decir que es la réplica 'mínima' del citoesqueleto. Lo que hemos visto es que, al ponerlo en contacto con un cristal líquido en una fase llamada esméctica (con una marcada anisotropía reológica), el material se ordena siguiendo direcciones de movimiento preferentes".
El material activo estudiado consiste en una suspensión acuosa de proteínas filamentosas (tubulina) y proteínas motoras (quinesina) que, en presencia de trifosfato de adenosina (ATP), forman fibras autoensambladas alargadas activas. Cuando se condensan sobre un cristal líquido pasivo sometido a un campo magnético externo, las fibras se organizan y se orientan.
El hito de orientar un material biológico y controlarlo en la dirección deseada
Este material activo se desarrolló en la Universidad Brandeis (Estados Unidos) hace menos de cinco años, y aunque ya se conocían bien sus propiedades, no se podía controlar su dinámica. Según Pau Guillamat, investigador en formación de IN2UB y primer autor del artículo, "orientar un material biológico y controlarlo en la dirección que tú quieres ha sido un hito, dado que tiene una dinámica muy compleja e impredecible".
Los resultados del trabajo, en el que también ha participado Jordi Ignés Mullol, profesor del Departamento de Ciencia de los Materiales y Química Física y miembro de IN2UB, han sido publicados en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). También se han comentado en un artículo de la revista Nature Reviews Materials, donde se destaca el hecho de que este mecanismo permite realizar un ciclo reversible que se puede controlar fácilmente rotando el campo magnético, encargado de orientar el cristal líquido de apoyo.
"El paso siguiente, en el que ya estamos trabajando, es aplicar esta metodología a células, con el fin de condicionar su movimiento in vitro", adelanta Guillamat.
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Video en el que se puede observar de qué manera el material activo biológico se orienta unidireccionalmente:
Referencias bibliográficas:
P. Guillamat, J. Ignés-Mullol, F. Sagués. «Control of active liquid crystals with a magnetic field». Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), mayo de 2016. Doi: 10.1073/pnas.1600339113
Adam Brotchie, «Liquid crystals: Magnetic control of an active gel». Nature Reviews Materials, mayo de 2016.
La Real Academia Sueca de las Ciencias ha concedido la mitad de este galardón al bioquímico estadounidense David Baker por diseñar desde cero nuevas proteínas mediante su programa RoseTTAFold. La otra mitad la comparten el británico Demis Hassabis y el también estadounidense John M. Jumper, ambos de la empresa DeepMind de Google, que lograron predecir las estructura proteicas con IA.
Un estudio internacional con participación del CSIC ha demostrado que reemplazar un solo átomo en posiciones estratégicas de la secuencia genética puede revertir su dirección de rotación. Según los autores, el hallazgo podría convertirse en una importante diana terapéutica al desempeñar un papel importante en diversos procesos biológicos.
