Los fluidos fibrosos especializados fluyen a través de las articulaciones humanas y ayudan a constituir sustancias como el moco. Estos fluidos contienen moléculas largas y flexibles como polímeros o proteínas, lo que les da la capacidad de estirarse y absorber los golpes.
Sin embargo, los científicos aún tienen que comprender completamente cómo estos fluidos enigmáticos interactúan con estructuras biológicas a pequeña escala. Las estructuras de particular interés son los cilios, proyecciones diminutas con forma de cabello adheridas a la membrana celular, que se ondulan para realizar funciones como eliminar contaminantesEstas interacciones fluido-estructura son importantes para comprender con precisión cómo se mueven los cilios para realizar sus funciones biológicas. Sin embargo, estas interacciones ocurren en una escala tan pequeña que ha sido difícil de estudiar experimentalmente.
Ahora, los investigadores de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluídicos de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST han identificado algunas características clave de cómo fluyen estos llamados fluidos viscoelásticos alrededor de los cilios. Los fluidos viscoelásticos son viscosos, como la melaza, además de elástico. El estudio, publicado en pequeño sugiere que es la elasticidad de los fluidos lo que impulsa el movimiento modelado de los cilios, dicen los investigadores.
Entrar en el mundo de los muy pequeños
Para preparar su experimento, los científicos excavaron microcanales en vidrio de sílice fundido. Estos canales contenían uno o dos postes cilíndricos flexibles unidos a un lado del canal, que representaban los cilios.
Luego, los científicos usaron bombas de jeringa para impulsar una solución viscoelástica a través de los microcanales de vidrio a una velocidad controlada con precisión. El fluido experimental contenía micelas parecidas a gusanos también llamadas polímeros vivos, que son estructuras flexibles del tamaño de una micra que imitan el movimiento de moléculas biológicaspresente en los fluidos corporales humanos.
Los investigadores tomaron una serie de mediciones, utilizando tres microscopios separados de alta potencia con diferentes técnicas ópticas para capturar el comportamiento y las propiedades del fluido mientras interactuaba con los postes.
Primero, los científicos utilizaron un método llamado velocimetría de imagen de micropartículas para registrar la velocidad del fluido a medida que fluía alrededor de los postes. Observaron que el fluido se movía preferentemente alrededor de un lado de los postes, dejando fluido virtualmente estacionario en el otro.Sin embargo, a ciertas velocidades de flujo, el fluido en el lado estacionario comenzó a fluir con un movimiento espasmódico.
A medida que se movía el fluido, el poste comenzó a oscilar. "Un aspecto importante del estudio fue nuestra capacidad para rastrear cuidadosamente las oscilaciones resultantes de los postes en función del tiempo utilizando microscopía de video de alta velocidad", dijo el Dr. Simon Haward, ellíder de grupo de la unidad.
Utilizando un método llamado microscopía de luz polarizada de alta velocidad, también pudieron trazar las regiones alrededor de los postes cilíndricos donde las micelas parecidas a gusanos se estiraban elásticamente y correlacionar la cantidad de estiramiento con la posición de los postes.
Mientras interactuaban con el fluido, dos postes ubicados uno cerca del otro comenzaron a oscilar en sincronía casi perfecta, lo que sugiere que la elasticidad del fluido está mediando el latido sincrónico de los cilios de una célula, dicen los investigadores.
"La dinámica de tiempo síncrona de los postes es completamente impartida por el propio fluido", dijo el Dr. Cameron Hopkins, el primer autor del estudio. "Sin embargo, esto solo sucede bajo condiciones específicas. Si aumentamos la tasa de flujo y por lo tantoinfluencia de la elasticidad del fluido, entonces perdemos la regularidad de las oscilaciones y se vuelve errático. "
Desarrollo de nuevos modelos biológicos
En el futuro, los científicos esperan estudiar cómo el cambio de la flexibilidad y las distancias entre los postes cilíndricos afectará su comportamiento. Hopkins y sus colegas también esperan repetir el experimento en un sistema más grande con hasta veinte postes cilíndricos para emular una serie decilios.
"Nuestra configuración experimental actual es una geometría idealizada; por supuesto, los sistemas biológicos reales son mucho más complicados", dijo la profesora Amy Shen, jefa de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluidos. "Este modelo actual es un trampolína algo más complejo y biológicamente más relevante ".
Los investigadores esperan que una mayor investigación ayude a esclarecer la física de lo muy pequeño, y tal vez proporcione información sobre los movimientos dinámicos que ocurren dentro de nuestras mismas células.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST . Original escrito por Anna Aaronson. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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