La formación de patrones moleculares autoorganizados en las células es un componente crítico de muchos procesos biológicos. Investigadores de Ludwig-Maximilians-Universitaet LMU en Munich han propuesto una nueva teoría para explicar cómo surgen tales patrones en sistemas naturales complejos.
Muchos procesos biológicos dependen de manera crucial de la formación de distribuciones ordenadas de moléculas específicas dentro de las células. Estos patrones son estructuras autoorganizadas que evolucionan de manera predecible en el tiempo y el espacio. Quizás el ejemplo más conocido de patrones de proteínas intracelulares es el molecularmaquinaria que orquesta la segregación regular de conjuntos completos de cromosomas a las dos células hijas durante la división celular. La teoría clásica de la formación de patrones se basa en sistemas químicos que están cerca del equilibrio. Pero estos estados rara vez se encuentran en los sistemas físicos, químicos o biológicos.en el que generalmente se observa un patrón autoorganizado. Como regla general, estos sistemas están muy lejos del equilibrio, un estado mantenido por la entrada de energía. Los mecanismos que crean y estabilizan estructuras ordenadas en estas condiciones son poco conocidos.los físicos Erwin Frey y Jacob Halatek ahora han introducido un nuevo marco teóricoeso puede explicar la formación de patrones en sistemas de no equilibrio.La nueva teoría se describe en la revista Física de la naturaleza .
Frey y Halatek centraron su atención en los sistemas dinámicos que son impulsados por interacciones de conservación de masa, es decir, reacciones químicas. En los sistemas biológicos, la formación de patrones se manifiesta principalmente en la redistribución dinámica de proteínas específicas. En muchos de estos sistemas, lala dinámica depende de las alteraciones en las conformaciones de las moléculas de proteína que les permiten cambiar entre un estado unido a la membrana y un estado de difusión libre en la fase soluble de la célula ". Lo que observamos como un patrón de proteína suele ser una disposición espacial específica, un no-densidad uniforme, de una proteína, en una superficie de membrana ", dice Halatek. La formación del patrón resulta del hecho de que la distribución de una proteína dada entre la membrana y la fase citosólica está cambiando constantemente, aunque su concentración total en la célula permanece constante"Sin embargo, la dinámica de la formación de patrones en un sistema tan complejo y extendido como una célula biológica es muy difícil de capturar, incluso en simu", dice Halatek."Es por eso que dividimos los datos utilizados en nuestras simulaciones de formación de patrones en sistemas grandes en una red de compartimentos mucho más pequeños, que están acoplados entre sí".
La densidad local de las proteínas unidas a la membrana y citosólicas determina el equilibrio químico en cada compartimento, de modo que los cambios en la relación de las formas de proteínas citosólicas a las unidas a la membrana provocan un cambio en el equilibrio. Halatek y Frey pudieronmuestran que la formación de patrones es una consecuencia de estos cambios en los equilibrios químicos locales. "La redistribución de las proteínas es impulsada por la difusión. La difusión por sí sola eventualmente conduciría a una distribución homogénea de todas las especies de proteínas en todo el volumen celular", dice Halatek.Por lo tanto, es esencial para la formación del patrón que se mantenga un gradiente de difusión en el sistema, de modo que las redistribuciones de las proteínas siempre sean posibles. Por esta razón, la formación del patrón en los sistemas biológicos depende de reacciones enzimáticas que alteran las conformaciones de las proteínas en cuestión.permitir que se unan a la membrana, por ejemplo "
Los dos físicos aplicaron su nueva teoría al sistema Min: un conjunto de tres proteínas que se encuentran en la bacteria Escherichia coli en forma de bastón, que interactúan para generar un patrón de autoorganización que determina el plano de escisión durante la célulaobservaron otra consecuencia de la desestabilización dinámica de los equilibrios locales debido al transporte de masas: la aparición de turbulencias químicas. "Sin embargo, estas turbulencias no resultan en la pérdida completa de orden que sugieren las teorías clásicas", dice Frey.En nuestro marco conceptual, ocurre exactamente lo contrario. Cuando desestabilizamos el sistema, observamos que la turbulencia se desarrolla con relativa rapidez. Pero tras una mayor perturbación, el sistema experimenta una transición en la que está lejos del equilibrio, pero sin embargo claramente ordenado y no turbulento"Frey y Halatek comparan este tipo de comportamiento con el efecto de un marcapasos cardíaco, que contrarresta las arritmias mediante la aplicación de impulsos eléctricos para restaurar elmal patrón de conducción de impulsos."Nuestro modelo explica cómo los 'marcapasos' pueden surgir mediante la autoorganización en sistemas que no están en equilibrio", dice Halatek."En otras palabras, podemos proporcionar una respuesta clara a la pregunta: ¿Qué parte del 'yo' es responsable de la 'organización'? Ese rol lo desempeñan los modos inestables 'modos de control' que alteran la posición y la estabilidadde los equilibrios locales que impulsan la evolución temporal del sistema "
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Materiales proporcionado por Ludwig-Maximilians-Universität München . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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