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Patrón de ondas encontradas en organismos en crecimiento similares a las circulaciones oceánicas y fluidos cuánticos

Corrientes oceánicas

Corrientes oceánicas. Crédito: NASA / Goddard Space Flight Center Estudio de visualización científica

El crecimiento de un organismo se basa en un patrón de ondas

El estudio muestra que las ondas en un huevo recién fertilizado son similares a otros sistemas, desde las circulaciones oceánicas y atmosféricas hasta los fluidos cuánticos.

Cuando se fertiliza un óvulo de casi cualquier especie de reproducción sexual, se desencadena una serie de ondas que se extienden por la superficie del huevo. Estas ondas son producidas por miles de millones de proteínas activadas que surgen a través de la membrana del huevo como corrientes de pequeños centinelas excavadores, lo que indica al huevo que comience a dividirse, plegarse y dividirse nuevamente, para formar las primeras semillas celulares de un organismo.

Ahora MIT Los científicos han examinado detalladamente el patrón de estas ondas, producidas en la superficie de los huevos de estrella de mar. Estos huevos son grandes y, por lo tanto, fáciles de observar, y los científicos consideran que los huevos de estrella de mar son representativos de los huevos de muchas otras especies animales.

Ondas a través del huevo recién fertilizado

Los investigadores del MIT observan ondas en un huevo recién fertilizado que son similares a otros sistemas, desde las circulaciones oceánicas y atmosféricas hasta los fluidos cuánticos. Crédito: cortesía de los investigadores.

En cada huevo, el equipo introdujo una proteína para imitar el inicio de la fertilización y registró el patrón de ondas que se ondularon en sus superficies en respuesta. Observaron que cada ola surgía en un patrón en espiral, y que múltiples espirales giraban sobre la superficie de un huevo a la vez. Algunas espirales aparecieron espontáneamente y se arremolinaron en direcciones opuestas, mientras que otras chocaron de frente e inmediatamente desaparecieron.

Los investigadores se dieron cuenta de que el comportamiento de estas ondas giratorias es similar a las ondas generadas en otros sistemas aparentemente no relacionados, como los vórtices en los fluidos cuánticos, las circulaciones en la atmósfera y los océanos, y las señales eléctricas que se propagan a través del corazón y cerebro.

"No se sabía mucho sobre la dinámica de estas ondas de superficie en los huevos, y después de que comenzamos a analizar y modelar estas ondas, encontramos que estos mismos patrones se muestran en todos estos otros sistemas", dice el físico Nikta Fakhri, Thomas D. y Virginia. W. Cabot Profesor Asistente en el MIT. "Es una manifestación de este patrón de onda muy universal".

"Abre una perspectiva completamente nueva", agrega Jörn Dunkel, profesor asociado de matemáticas en el MIT. "Se pueden tomar prestadas muchas técnicas que las personas han desarrollado para estudiar patrones similares en otros sistemas y aprender algo sobre biología".

Fakhri y Dunkel han publicado sus resultados hoy en la revista Nature Physics. Sus coautores son Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller y Melis Tekant del MIT.

Encontrar el centro de uno

Estudios anteriores han demostrado que la fertilización de un huevo activa inmediatamente Rho-GTP, una proteína dentro del huevo que normalmente flota en el citoplasma de la célula en un estado inactivo. Una vez activada, miles de millones de la proteína se levantan del pantano del citoplasma para unirse a la membrana del huevo y serpentean a lo largo de la pared en ondas.

"Imagínese si tiene un acuario muy sucio, y una vez que un pez nada cerca del cristal, puede verlo", explica Dunkel. "De manera similar, las proteínas están en algún lugar dentro de la célula, y cuando se activan, se adhieren a la membrana y comienzas a ver cómo se mueven".

Fakhri dice que las ondas de proteínas que se mueven a través de la membrana del huevo sirven, en parte, para organizar la división celular alrededor del núcleo de la célula.

"El huevo es una célula enorme, y estas proteínas tienen que trabajar juntas para encontrar su centro, de modo que la célula sepa dónde dividirse y plegarse, muchas veces, para formar un organismo", dice Fakhri. "Sin estas proteínas haciendo ondas, no habría división celular".

En su estudio, el equipo se centró en la forma activa de Rho-GTP y el patrón de ondas producidas en la superficie de un huevo cuando alteraron la concentración de la proteína.

Para sus experimentos, obtuvieron alrededor de 10 óvulos de los ovarios de las estrellas de mar a través de un procedimiento quirúrgico mínimamente invasivo. Introdujeron una hormona para estimular la maduración, y también inyectaron marcadores fluorescentes para unir a cualquier forma activa de Rho-GTP que surgió en respuesta. Luego observaron cada huevo a través de un microscopio confocal y observaron cómo miles de millones de proteínas se activaron y ondularon a través de la superficie del huevo en respuesta a concentraciones variables de la proteína hormonal artificial.

"De esta manera, creamos un caleidoscopio de diferentes patrones y observamos su dinámica resultante", dice Fakhri.

Pista de huracanes

Los investigadores primero reunieron videos en blanco y negro de cada huevo, mostrando las ondas brillantes que viajaban sobre su superficie. Cuanto más brillante es una región en una ola, mayor es la concentración de Rho-GTP en esa región en particular. Para cada video, compararon el brillo o la concentración de proteínas de píxel a píxel, y utilizaron estas comparaciones para generar una animación de los mismos patrones de onda.

A partir de sus videos, el equipo observó que las olas parecían oscilar hacia afuera como pequeñas espirales similares a huracanes. Los investigadores rastrearon el origen de cada onda hasta el núcleo de cada espiral, a la que se refieren como un "defecto topológico". Por curiosidad, rastrearon el movimiento de estos defectos ellos mismos. Hicieron un análisis estadístico para determinar qué tan rápido se movían ciertos defectos a través de la superficie de un huevo, y con qué frecuencia y en qué configuraciones las espirales aparecían, colisionaban y desaparecían.

En un giro sorprendente, descubrieron que sus resultados estadísticos y el comportamiento de las ondas en la superficie de un huevo eran los mismos que el comportamiento de las ondas en otros sistemas más grandes y aparentemente no relacionados.

"Cuando miras las estadísticas de estos defectos, es esencialmente lo mismo que los vórtices en un fluido, las ondas en el cerebro o los sistemas a mayor escala", dice Dunkel. "Es el mismo fenómeno universal, simplemente reducido al nivel de una célula".

Los investigadores están particularmente interesados ​​en la similitud de las olas con las ideas en computación cuántica. Así como el patrón de ondas en un huevo transmite señales específicas, en este caso de división celular, la computación cuántica es un campo que tiene como objetivo manipular átomos en un fluido, en patrones precisos, para traducir información y realizar cálculos.

"Quizás ahora podamos tomar prestadas ideas de fluidos cuánticos, para construir minicomputadoras a partir de células biológicas", dice Fakhri. "Esperamos algunas diferencias, pero trataremos de explorar (ondas de señalización biológicas) más como una herramienta para el cálculo".

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación James S. McDonnell, la Fundación Alfred P. Sloan y la Fundación Nacional de Ciencia.