Los investigadores identifican propiedades que permiten a las proteínas recordar y responder a la presión.



Una nueva banda de goma se estira, pero luego vuelve a su forma y tamaño originales. Estirado de nuevo, hace lo mismo. Pero, ¿y si la goma elástica estuviera hecha de un material que recordara cómo se había estirado? Así como nuestros huesos se fortalecen en respuesta al impacto, los implantes médicos o las prótesis compuestas de dicho material podrían ajustarse a las presiones ambientales como las que se encuentran en el ejercicio extenuante.

Un equipo de investigación de la Universidad de Chicago está explorando las propiedades de un material que se encuentra en las células y que permite que las células recuerden y respondan a la presión ambiental. En un artículo publicado el 14 de mayo de 2021 en Materia blanda, descubrieron secretos sobre cómo funciona y cómo podría algún día formar la base para hacer materiales útiles.

Las cadenas de proteínas, llamadas filamentos de actina, actúan como huesos dentro de una célula, y una familia separada de proteínas llamadas entrecruzadores mantienen estos huesos juntos en un esqueleto celular. El estudio encontró que una concentración óptima de reticuladores, que se unen y se separan para permitir que la actina se reorganice bajo presión, permite que este andamio esquelético recuerde y responda a experiencias pasadas. Esta memoria material se llama histéresis.

“Nuestros hallazgos muestran que las propiedades de las redes de actina pueden cambiarse por la forma en que se alinean los filamentos”, dijo Danielle Scheff, estudiante graduada del Departamento de Física que realizó la investigación en el laboratorio de Margaret Gardel, profesora de Física Horace B. Horton e Ingeniería Molecular, el Instituto James Franck y el Instituto de Dinámica Biofísica. “El material se adapta al estrés haciéndose más fuerte”.

Para comprender cómo la composición de este andamiaje celular determina su histéresis, Scheff mezcló un tampón que contenía actina, aislada de músculo de conejo, y reticulantes, aislados de bacterias. Luego aplicó presión a la solución, usando un instrumento llamado reómetro. Si se estiraba en una dirección, los reticuladores permitían que los filamentos de actina se reorganizaran, fortaleciéndose contra la presión posterior en la misma dirección.

Para ver cómo la histéresis dependía de la consistencia de la solución, mezcló diferentes concentraciones de reticulantes en el tampón.

Sorprendentemente, estos experimentos indicaron que la histéresis era más pronunciada a una concentración óptima de reticulante; las soluciones exhibieron una histéresis aumentada a medida que agregaba más reticuladores, pero más allá de este punto óptimo, el efecto nuevamente se volvió menos pronunciado.

Recuerdo que estaba en el laboratorio la primera vez que tracé esa relación y pensé que algo debía estar mal, corriendo hacia el reómetro para hacer más experimentos para verificar “.

Danielle Scheff, estudiante de posgrado

Para comprender mejor los cambios estructurales, Steven Redford, un estudiante graduado en Ciencias Biofísicas en los laboratorios de Gardel y Aaron Dinner, Profesor de Química, el Instituto James Franck y el Instituto de Dinámica Biofísica, creó una simulación computacional de la mezcla de proteínas Scheff producido en el laboratorio. En esta interpretación computacional, Redford ejerció un control más sistemático sobre las variables de lo que era posible en el laboratorio. Al variar la estabilidad de los enlaces entre la actina y sus reticuladores, Redford demostró que la desunión permite que los filamentos de actina se reorganicen bajo presión, alineándose con la tensión aplicada, mientras que la unión estabiliza la nueva alineación, proporcionando al tejido un ‘recuerdo’ de esta presión. Juntas, estas simulaciones demostraron que las conexiones impermanentes entre las proteínas permiten la histéresis.

“La gente piensa que las células son muy complicadas, con mucha retroalimentación química. Pero este es un sistema simplificado en el que realmente se puede entender lo que es posible”, dijo Gardel.

El equipo espera que estos hallazgos, establecidos en un material aislado de sistemas biológicos, se generalicen a otros materiales. Por ejemplo, el uso de reticuladores impermanentes para unir filamentos de polímero podría permitirles reorganizarse como lo hacen los filamentos de actina y, por lo tanto, producir materiales sintéticos capaces de histéresis.

“Si comprende cómo se adaptan los materiales naturales, puede trasladarlo a los materiales sintéticos”, dijo Dinner.

Fuente:

Referencia de la revista:

Scheff, RD, et al. (2021) La alineación del filamento de actina causa histéresis mecánica en redes reticuladas. Materia blanda. doi.org/10.1039/d1sm00412c.

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