Los físicos de Ludwig-Maximilians-Universitaet LMU en Munich han desarrollado una forma de distinguir los movimientos aleatorios de las partículas en los sistemas moleculares no vivos de la motilidad de la materia viva activa. El método ofrece nuevos conocimientos sobre los procesos biológicos fundamentales.
¿Cuáles son las principales propiedades físicas y químicas que distinguen a los organismos vivos de la materia no viva? Esta es una pregunta que ha fascinado a los científicos durante siglos. Una de las diferencias clave entre las dos clases radica en el hecho de que los sistemas vivos se mantienen enun estado de no equilibrio. Para evitar el inevitable deslizamiento hacia el equilibrio termodinámico, deben gastar energía continuamente - para impulsar movimientos activos y mantener viva la célula. El físico del LMU Profesor Chase Broedersz, en colaboración con investigadores con sede en Gotinga, Amsterdam, elEl Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de Yale han desarrollado un método que puede diferenciar entre los movimientos activos característicos de las células vivas y los que son impulsados por los movimientos moleculares aleatorios que dan lugar a la difusión pasiva. La técnica también proporciona información más profunda sobre los procesos fundamentales que sonespecíficos para los sistemas biológicos. Los nuevos hallazgos aparecen en el último número de the revista principal Ciencia
"Sorprendentemente, en el mundo de las partículas microscópicamente pequeñas, el movimiento molecular como tal no necesariamente implica que uno esté lidiando con un estado de equilibrio termodinámicamente o un proceso impulsado activamente. Los movimientos moleculares también pueden ser el resultado del bombardeo impulsado térmicamente de pequeñospartículas por moléculas en el medio circundante ", señala Broederzs. Estas colisiones térmicas con moléculas alteran la trayectoria de las partículas diminutas y dan lugar a la difusión térmica. A primera vista, muchos procesos activados en las células vivas parecen ser igualmente aleatorios".Entonces, para comprender las funciones celulares, uno debe ser capaz de distinguirlas de los sistemas de equilibrio ", dice Broedersz.
Análisis de video del movimiento de orgánulos
Broedersz y sus colegas ahora describen un método que, por primera vez, permite que los sistemas vivos sean identificados de manera concluyente y no invasiva para estar fuera de equilibrio a escalas microscópicas. El procedimiento utiliza el principio del equilibrio detallado, que estableceque, en los sistemas que han alcanzado el equilibrio, la tasa promedio de cada proceso elemental es igual a la de sus reacciones inversa: las reacciones hacia adelante y hacia atrás se cancelan efectivamente. Si este principio no se cumple, el sistema está, por definición, en un no equilibrioestado y debe ser impulsado por la entrada de energía de una fuente externa ". Nuestro nuevo método se basa en un sistema de imágenes de video que nos permite visualizar movimientos microscópicos en tiempo real. Los datos de imágenes resultantes se pueden analizar para determinar siEl sistema obedece al principio del equilibrio detallado ", dice Broedersz.
En el estudio, el equipo analizó los movimientos de dos tipos de protuberancias celulares similares a pelos formadas por filamentos proteicos: los llamados flagelos que se encuentran en el alga verde unicelular Chlamydomonas reinhardtii y el cilio primario que se encuentra en muchos tejidos epiteliales en organismos multicelulares. Los flagelos y los cilios primarios son bastante similares en su estructura básica, pero sus funciones biológicas y modos de acción difieren. Los microorganismos usan los flagelos para nadar a través de medios líquidos, mientras que los primarioslos cilios actúan principalmente como sensores móviles en las superficies epiteliales. "Con la ayuda de nuestros datos de imágenes", dice Broedersz, "pudimos demostrar que, en lugar de simplemente moverlos de un lado a otro, los flagelos y los cilios en promedio realizan ciclos de forma activamovimientos impulsados y distintos, y al hacerlo violan el principio del equilibrio detallado "
Además, los dos orgánulos difieren con respecto a la naturaleza precisa de los movimientos que exhiben: los flagelos golpean periódicamente, y sus movimientos muestran una variabilidad aleatoria relativamente pequeña. Los movimientos ciliar, por otro lado, se caracterizan por un nivel mucho más alto de irregularidadSin embargo, a pesar de estas diferencias, los análisis mostraron que ambos sistemas contravienen el principio del equilibrio detallado.
"Estos hallazgos son de interés no solo en el contexto de la biología, sino que proporcionan un medio para reconocer situaciones de no equilibrio en los sistemas biológicos y ofrecen nuevos conocimientos sobre los complejos procesos que hacen posible la vida", dice Broedersz. "también de gran importancia para los campos de la mecánica estadística y la biofísica, ya que plantean cuestiones fundamentales relacionadas con la cuestión de cómo los procesos moleculares activos impulsan la dinámica del equilibrio a gran escala ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Ludwig-Maximilians-Universitaet Muenchen LMU . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :