Desde los patrones intrincados de los granos de polen hasta las espirales logarítmicas de las conchas de nautilus, la biología está llena de patrones, formas y geometrías complejas. Muchas de estas estructuras intrincadas juegan papeles importantes en la función biológica, pero pueden ser difíciles de crear en un laboratoriosin equipos de última generación o procesos y materiales costosos y que consumen energía.
Un nuevo estudio describe cómo las esferas se pueden transformar en husos retorcidos gracias a las ideas de las herramientas de navegación del siglo XVI. Los investigadores muestran cómo los polímeros pueden contraerse en estructuras espirales, conocidas como loxodromos, que tienen patrones complejos diez veces más pequeños que el ancho de un humanocabello. Publicado en Cartas de revisión física , la investigación fue realizada por la estudiante graduada Helen Ansell de la Universidad de Pensilvania, el postdoctorado Daeseok Kim y los profesores Randall Kamien y Eleni Katifori en la Escuela de Artes y Ciencias, en colaboración con Teresa Lopez-Leon de la École Supérieure de Physique et deChimie Industrielles de la Ville de Paris ESPCI.
Kim, que trabajó en este proyecto en ESPCI antes de venir a Penn, se inspiró en otros estudios que muestran que una mezcla de polímero y cristal líquido toma una nueva forma cuando se coloca en un solvente diferente. Fue un cambio que también fue reversibley reproducible, con poca o ninguna energía requerida para causar el cambio de forma.
Para comprender los interesantes cambios conformacionales que Kim había visto en el laboratorio, buscó teóricos que pudieran ayudar a dar sentido a cómo la geometría del polímero lo hacía girar y contraerse. Después de ver las imágenes microscópicas y los datos recopilados y analizados porKim, Ansell tuvo una idea inicial de cuál podría ser la estructura del huso: un loxódromo.
Más comúnmente conocido como líneas de rumbo, un loxódromo es un arco que sigue un ángulo constante a medida que atraviesa una esfera. Los marineros a lo largo de los siglos XVI-XIX utilizaron estas líneas para navegar, lo que les permitió establecer sus brújulas en una orientación constantepara que su nave no tuviera que cambiar su rumbo.
"Intentamos averiguar si este era el caso", dice Ansell acerca de investigar si su hipótesis era correcta. "Creemos que encontramos estos loxodromos, por lo que tuvimos que comparar lo que se ve con los datos".
Ansell desarrolló un modelo matemático que describe cómo las esferas se alargan y se retuercen utilizando la geometría del loxódromo como punto de partida. Al comparar los resultados de su teoría con los datos generados por Kim, ella pudo demostrar que cambiando elel solvente hizo que los polímeros se encogieran, lo que hizo que su forma se torciera cuando las cadenas de polímeros a lo largo de las líneas de longitud de la esfera se acortaron
En la parte superior de los husillos hay espirales de una micra, casi cien veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano. Crear patrones hechos por humanos que sean pequeños generalmente requiere métodos y equipos costosos, pero este método de hacer estructuras de pequeña escala autoensambladasel uso de materiales de partida a escala del curso es mucho más simple.
El loxódromo de polímero es el último hallazgo que profundiza en los intereses del grupo Kamien en el cruce entre la química y la geometría. Kamien dice que muchas interacciones en biología, como el plegamiento de proteínas, las respuestas inmunes e incluso el olor, generalmente se representan como un enlace químico, pero enfatiza que la geometría también impulsa mucho de lo que sucede en biología.
"Piensa en las proteínas", dice Kamien, "tienes estos aminoácidos diferentes, y se atraen de diferentes maneras, pero cuando termines, tienes este globo gigante, y hay un pequeño bolsillo que recoge los residuos,así que piensas en ello geométricamente. La explicación de Helen es completamente geométrica: no implica nada específico sobre cómo funciona la unión ".
Para Kim, esta investigación es un primer paso emocionante para estudiar estructuras únicas en otros sistemas biológicos. Al diseñar nuevos tipos de partículas de polímero y probarlas en diferentes condiciones, espera aprender más sobre cómo funcionan los impulsores de forma, especialmente en sistemasdice que "podríamos estudiar algo de materia biológica en la naturaleza imitando un modelo topológico similar", dice, "y podemos resolver o estudiar algún problema complejo en la naturaleza".
Ahora, por coincidencia, los esfuerzos de Ansell han sentado las bases para otro proyecto no relacionado en el que estuvo atrapada durante algún tiempo y que también parece tener una solución de loxodrome.
"Simplemente aparecen", dice sobre la forma del huso retorcido.
"Como dijo Pasteur, la suerte favorece a la mente preparada", agrega Kamien. "Ahora, estamos preparados para buscarlos".
Esta investigación fue apoyada por National Science Foundation Materiales Research Science and Engineering Center otorga DMR-1720530 y DMR-1720530, NSF CAREER Award PHY-1554887, Simons Investigator Grant de la Simons Foundation, y el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas Grant EP/ R014604 / 1.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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