Gotas autopropulsadas por ATP al ser recubiertas por un gel de microtúbulos y quinesina

El término “materia activa” se refiere a los materiales que exhiben movimiento (motilidad) similar a la materia viva. Gotas de agua recubiertas de un gel “activo” se mueven en una emulsión de agua y aceite de forma espontánea y autosostenida, en ausencia de fuerzas externas, como si fueran células vivas, como nos ilustran Tim Sanchez (Univ. Brandeis, Massachusetts, EEUU) y sus colegas en Nature. El gel activo está formado por una red de microtúbulos conectados entre sí por unos anclajes formados por las proteínas estreptavidina y quinesina. Las quinesinas se mueven a lo largo de los microtúbulos si hay energía disponible (moléculas de ATP disueltas en la emulsión), lo que remodela las conexiones entre los microtúbulos de la red; como resultado, aparecen esfuerzos que crean diferencias de presión osmótica, que generan ondas en la red. Estas ondas en la superficie de las gotas que han adsorbido el gel activo de microtúbulos son las responsables últimas del movimiento “caótico” de las gotas por el medio. Por ahora, este movimiento descrito por la mecánica estadística de los procesos fuera de equilibrio no puede ser controlado y no tiene aplicaciones prácticas. Aún así, este análogo biomimético podría ayudar a entender los orígenes de la motilidad en los seres vivos. Sin embargo, podemos soñar que futuros avances en bionanotecnología puedan llegar algún día a controlar de alguna forma el flujo inducido por el movimiento de los microtúbulos activos gracias a la quinesina. Nos lo ha contado M. Cristina Marchetti, “Active matter: Spontaneous flows and self-propelled drops,” Nature, Published online 07 November 2012, haciéndose eco del artículo técnico de Tim Sanchez, Daniel T. N. Chen, Stephen J. DeCamp, Michael Heymann, Zvonimir Dogic, “Spontaneous motion in hierarchically assembled active matter,” Nature, Published online 07 November 2012.

Te recuerdo que los microtúbulos son filamentos cilíndricos rígidos que constituyen el citoesqueleto que le da rigidez y motilidad a las células. La quinesina (o kinesina) es una proteína capaz de moverse a lo largo de los microtúbulos cuando tiene disponible energía (moléculas de ATP). La estreptavidina es una proteína muy utilizada en bionanotecnología. Las gotas de agua adsorben los microtúbulos “activos” en forma de una red que las envuelve (recuerda la diferencia entre adsorción y absorción). Esta red se comporta como un cristal líquido nemático que en la emulsión con ATP genera flujos de corriente que mueven las gotas de forma autónoma; el resultado es un movimiento colectivo biomimético de las gotas.

Este vídeo ilustra el movimiento de las gotas en función de la concentración de ATP en la emulsión. Las gotas tienen que tener un diámetro mínimo de 30 micrómetros para que en su superficie se adhiera una película “activa” suficiente (ya que la curvatura de la superficie de la gota es demasiado grande si ésta tiene un diámetro más pequeño).

Este vídeo ilustra el movimiento de la red de microtúbulos en un sustrato plano en función de la concentración de ATP. La red que se encuentra en la superficie de las gotas se mueve de forma similar. Por ello, su movimiento no tiene ninguna dirección preferida. El artículo técnico trata de explicar el movimiento colectivo de los microtúbulos de forma cualitativa, por lo que auguro que habrá futuros artículos que traten de explicarla de una forma cuantitativa.

Como ilustra esta figura, las gotitas se mueven en trayectorias curvas bastante complicadas y alcanzan distancias de hasta 250 micrómetros en unos 33 minutos. La gran pregunta es si será posible controlar estos movimientos; se me ocurre que se podrían inducir gradientes locales de ATP, o incluso incrustar moléculas en la superficie de las gotas que permitan un control externo. Se abren muchas posibilidades, pero mientras tanto estos experimentos arrojarán algo de luz sobre los aspectos biofísicos de la motilidad de la materia viva.

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