Física chilena lidera estudio publicado en Nature que crea modelo matemático que predice por primera vez cómo se transportan las moléculas en organismos vivos

La difusión molecular es un proceso físico que consiste en el movimiento de átomos o partículas de una región de alta concentración a una de menor concentración, hasta lograr una distribución uniforme.

Este proceso está presente en nuestro día a día, por ejemplo, cuando dejamos una bolsa de té en nuestra taza con agua caliente y vemos como lentamente el té se mezcla en el agua. Pero también ocurre a nivel microscópico y en sistemas complejos, como los organismos vivos, jugando un papel muy importante en diversos procesos, donde aún hay muchas preguntas sin responder.

Ahora, un estudio publicado en Nature Communications -realizado por físicos de las universidades de Chile, Pensilvania y Heinrich Heine de Düsseldorf- crearon un modelo matemático que permitiría predecir cómo se da este transporte de partículas en organismos vivos, lo que podría tener amplias implicancias en medicina, biotecnología hasta entender cómo se eliminan los patógenos de los pulmones. “Dentro del cuerpo humano tenemos muchos procesos que ocurren en la microescala en donde grandes porciones de nuestros órganos están cubiertas de cilios o ‘pelitos’ que se agitan para transportar partículas; nosotros encontramos una expresión matemática que describe estos procesos de transporte”, explica Francisca Guzmán, investigadora del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa, del DFI-FCFM de la U. de Chile, académica de la U. Mayor y autora principal del estudio.

La difusión es una de las formas más importantes en que las moléculas pequeñas se mueven dentro del cuerpo, pero a medida que las cosas que necesitan ser transportadas se vuelven más grandes, como las proteínas o las células, la difusión estándar se vuelve demasiado lenta para mantenerlas en marcha. Ahí es cuando necesitas componentes activos para ayudar a transportar cosas”, explica el coautor del estudio e investigador de la Universidad de Pensilvania, Arnold Mathijssen.

En biología, estos componentes se conocen como “alfombras activas”, estructuras tales como citoesqueletos, flagelos o cilios que agregan pequeñas cantidades de energía a un sistema para ayudar a que la difusión sea más eficiente.

Gracias al modelo matemático, los científicos descubrieron que en los procesos de difusión de estas alfombras activas se dan pequeñas fluctuaciones a nano escala, que revelan cómo una bacteria, por ejemplo, puede mover una molécula.

Además, pudieron observar que los movimientos de las partículas activas no son al azar, como ocurre con la difusión de moléculas inactivas, en las que rige el movimiento browniano o aleatorio. Por lo tanto, es un movimiento que podría predecirse.

Los resultados revelaron, también, que las partículas activas incluyen un sistema natural de limpieza de sus cilios o pelitos para hacer más eficiente la difusión vertical.

“Conocer de forma exacta cómo la formación de alfombras activas afectan los procesos de transporte y difusión en la microescala nos permite entender, por ejemplo, la importancia de la presencia de cilios en el tracto digestivo o respiratorio… (En ese sentido) mantener una buena salud de estos permite que ellos se mantengan ‘limpios’. Un conocimiento que podría ser aplicado en otro tipo de biopelículas o materiales artificiales que están cubiertos de materia activa y que sufren estos procesos de autolimpieza”, dice Guzmán.

Mathijssen, que también participa en un proyecto relacionado con la propagación de Covid-19, agrega que los cilios en los pulmones son un ejemplo importante de alfombras activas en biología, especialmente porque sirven como la primera línea de defensa contra patógenos como Covid-19. “Sería algo muy importante para probar, si esta teoría de las alfombras activas puede estar vinculado a la teoría de la eliminación de patógenos en las vías respiratorias”, dice.

Mientras que Guzmán agrega que otra área de investigación posible, con estos nuevos hallazgos, es analizar cómo las películas formadas de algas afectan a la mezcla vertical de microplásticos en el océano.