Introducción
En un soleado laboratorio del Instituto Tecnológico de Massachusetts, dos estrellas de mar luchaban por su presa. Los brazos superpuestos sujetaron un trozo de cóctel de gambas descongelándose contra el costado del tanque. Miles de ventosas ondearon furiosamente contra el cristal mientras cada equinodermo luchaba por llevar el premio hacia sus propias fauces.
el físico Nikta Fakhri miró con una sonrisa. No muchos físicos conservan la vida marina en sus laboratorios, pero Fakhri ha aprendido a cuidar de las estrellas de mar casi tan bien como lo haría un biólogo marino. Y ahora está ampliando su colección de animales salvajes; cuando un reportero visitó recientemente, un par de tanques esperaban la inminente llegada de erizos de mar.
Fakhri recurrió a los equinodermos con la esperanza de responder a una vieja pregunta: ¿Qué es la vida? O, en una formulación moderna: ¿Cómo se suman las operaciones microscópicas de proteínas y células a un choque entre estrellas de mar hambrientas?
En la búsqueda por comprender cómo el giro de los engranajes biológicos produce el asunto indescriptiblemente complejo de la vida, a Fakhri le resultó natural recurrir a la física, un campo que es experto en vincular fenómenos microscópicos y macroscópicos. Los físicos han aprendido que la temperatura surge del movimiento de las moléculas, el magnetismo de las orientaciones de los átomos y la superconductividad del emparejamiento de electrones. Quizás la vida también pueda describirse elegantemente como una propiedad que puede surgir en las circunstancias adecuadas.
¿Pero qué circunstancias?
Al escudriñar los embriones de estrellas de mar, Fakhri ha hecho grandes avances para dar cuenta de esas circunstancias utilizando conceptos de la física. Ella señala que, al igual que otros estados de la materia, la vida "rompe la simetría": el crecimiento de un embrión distingue su pasado de su futuro, por ejemplo. Fakhri ha ampliado el lenguaje de la ruptura de la simetría para describir cómo las proteínas y otros componentes biológicos diminutos conspiran para permitir el movimiento, la reproducción y otras características de la vida. En el camino, ha observado un nuevo y extraño estado de la materia que puede ayudar a que la vida influya en su entorno.
Fakhri creció en Teherán, Irán. A pesar del ambiente opresivo para las mujeres, sus padres apoyaron su educación y finalmente se abrió camino hacia importantes instituciones en el extranjero. El año pasado, la American Physical Society la reconoció con su Premio a la carrera temprana por investigación de materia blanda, por "desarrollos innovadores e inspiradores". ¿CuántoLa conversación reciente de Fakhri con Fakhri en su laboratorio en el campus del MIT se ha resumido y editado para mayor claridad.
¿Cuál es el problema con la biología y cómo podría ayudar la física?
La biología es un campo que está realmente definido por sus moléculas. Ha tenido mucho éxito en la identificación de los componentes y mecanismos microscópicos de la vida. Por supuesto, conocer los detalles es importante, pero todavía hay una gran brecha entre comprender cómo, por ejemplo, una proteína consume energía y comprender cómo unir todas estas partes se suma a un comportamiento real.
La física tiene una visión algo diferente. Queremos comprender los principios que explican las cosas a través de varias escalas, desde la más pequeña hasta la más grande, utilizando una especie de lenguaje universal. Por ejemplo, una vez pensamos en el calor como un fluido. Pero con la termodinámica pudimos explicar la temperatura como el movimiento de las moléculas.
En el caso de la vida, nos gustaría saber: ¿Cómo se pasa de la disipación de energía a nivel de una sola partícula a una bandada de pájaros?
Eso parece un objetivo elevado, dado que un pájaro es mucho más complicado que una molécula. ¿Podrían ideas tan simples como las que han definido la temperatura ser realmente útiles para los organismos vivos?
Sin duda, la vida es compleja más allá de lo que estamos acostumbrados en física, pero creo que es un desafío emocionante. En el pasado, la física ha demostrado que este enfoque de tratar de entender una unidad como algo más que la suma de sus partes está en el centro de muchos fenómenos complejos. Me gustaría ser optimista en cuanto a que las reglas físicas pueden permitirnos comprender cuál podría ser la complejidad última del mundo.
¿Cuál es el desafío principal en el desarrollo de un marco físico para la vida?
En física, necesitamos que un sistema esté en equilibrio para definir casi cualquier cosa. El equilibrio es lo que nos permite entender la presión de un gas con solo saber el número de moléculas en una caja, sin preocuparnos de qué tipo de moléculas son o de qué está hecha la caja. Es un logro increíble que a menudo damos por sentado. Pero la vida no está en equilibrio. Hay un dicho famoso que dice que cuando un sistema vivo alcanza el equilibrio, está muerto. Con la vida, hay un cambio constante entre diferentes tipos de estabilidad, como pasar de despierto a dormido y de nuevo despierto. Necesitamos desarrollar formas de comprender cómo un sistema vivo cambia de un estado estacionario a otro.
Esta contabilidad también puede enriquecer la física. La física ha tenido mucho éxito, pero en realidad no está equipada para manejar la naturaleza de desequilibrio de los sistemas vivos.
¿Qué tipo de marco podría ser capaz de manejar los cambios constantes de la vida?
La clave para comprender las transiciones de un estado de un sistema a otro es la ruptura de la simetría. El ejemplo clásico es un metal que se magnetiza. Inicialmente, tiene partículas que apuntan en todas direcciones: el metal tiene "simetría rotacional" porque todas las direcciones se ven iguales desde el punto de vista de una partícula. Luego enciendes un campo magnético y de repente todas las partículas se orientan en una dirección especial, rompiendo la simetría.
Luego puede definir lo que se llama un parámetro de orden, que es una forma importante de pasar de una partícula a una descripción de muchas partículas. En un imán, el parámetro de orden es la flecha en cada punto que le indica en qué dirección apuntan en promedio un grupo de partículas cercanas. El parámetro de orden le permite comprender qué es la simetría rota y qué sucede durante una transición. Pero encontrar el parámetro de orden correcto es un arte.
Eso es una gran parte de lo que estamos tratando de hacer con nuestro sistema modelo, óvulos de estrellas de mar. Describimos las formas en que cambian en términos de parámetros de orden y simetrías rotas.
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¿Por qué los óvulos de las estrellas de mar?
Un enfoque de física requiere sistemas modelo con un comportamiento rico y autoorganización en diferentes escalas. Cuando me uní al MIT, había un grupo en el departamento de biología que pensaba en las estrellas de mar como sistema modelo. Mientras hablábamos, me quedó cada vez más claro que tenía todo lo que necesitábamos.
Ahora estoy aún más convencido. Este verano pasé un tiempo en el Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole. Las estrellas de mar son equinodermos y jugamos con otros equinodermos como erizos de mar y dólares de arena. Me impresionó la belleza de la vida marina y cómo todos los equinodermos pasan de este óvulo redondo y simétrico a una simetría pentameral rota. Solo esta pequeña rama de la vida tiene tanta ruptura de simetría para estudiar.
Entonces, ¿cómo define la vida la ruptura de la simetría?
La simetría rota más importante es el tiempo.
Siempre empiezo mis charlas con un video de un embrión en desarrollo, pero lo reproduzco al revés. Cuando se lo muestro a los biólogos, de inmediato dicen: “Esto no está bien. Las células nunca se fusionan”.
Sin embargo, acérquese y la flecha del tiempo no es tan nítida. Como investigador postdoctoral, estudié los movimientos de los nanotubos de carbono dentro de las células humanas. A simple vista, su movimiento parece aleatorio, lo mismo si reproduce el video hacia adelante o hacia atrás. pero cuando nosotros midió la sacudida de los nanotubos en detalle, las fluctuaciones parecían ser mucho más altas de lo que cabría esperar en equilibrio a temperatura ambiente. Se movían como si la celda tuviera una temperatura de 1,000 grados. ¿De dónde procedían estas fluctuaciones adicionales? Tenían que estar relacionados con el hecho de que, a diferencia de un imán en equilibrio, las células consumían energía continuamente y la usaban para vivir, para establecer una flecha del tiempo.
Ese trabajo abrió todo mi mundo a estos asombrosos sistemas fuera del equilibrio, y me sumergí más profundamente en la biofísica.
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Entonces, los sistemas de equilibrio fluctúan de manera aleatoria que, en promedio, no se suman a un cambio significativo. Pero los sistemas que no están en equilibrio, como los seres vivos, pueden fluctuar en patrones más organizados, y las semillas de esa organización deben existir incluso a nivel microscópico, incluso si todo parece aleatorio allí abajo. ¿Pudiste detectar esas semillas de coordinación?
En otro proyecto, estudié las vibraciones de los cilios alrededor de las células renales. Los cilios son los pequeños vellos que usan las células para nadar o sentir su entorno, y también vibran de una manera que parece aleatoria. Pero descubrimos que si descompones sus vibraciones en unos pocos movimientos básicos, podríamos identificar un patrón repetitivo — un ciclo — en cómo cada cilio estaba mezclando los movimientos básicos.
Ese tipo de ciclo es una señal reveladora de que su sistema no está en equilibrio, que tiene una flecha del tiempo. Más tarde aprendimos cómo usar la dirección y el tamaño del ciclo para calcular hasta qué punto las celdas estaban fuera de equilibrio.
También utiliza la ruptura de simetría para comprender cómo crecen los embriones de estrellas de mar.
Los óvulos se dividen una y otra vez a medida que crecen hasta convertirse en un embrión, y cada división es un ejemplo espectacular de ruptura de simetría tanto en el tiempo como en el espacio. De alguna manera, las pequeñas proteínas le dicen a la célula gigantesca cuándo y dónde comenzar a dividirse. Para una proteína, cualquier punto y cualquier momento es tan bueno como otro. Entonces, ¿cómo rompen la simetría para que la célula se divida aquí y ahora?
Bueno, ¿cómo lo hacen?
Hay una proteína de señalización clave, llamada Rho-GTP, que le dice a los "músculos" de la célula que se contraigan y transmitan una fuerza que conduce a la división celular. Cuando rastreamos cuántas de estas proteínas se activaban durante la división celular, vimos que sus niveles de actividad tomaban la forma de estas ondas que se extendían por toda la superficie de la célula. La pregunta era: ¿Cómo podríamos caracterizar estas ondas? ¿Cuál es su parámetro de orden?
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Descubrimos que si grabábamos una película de las ondas y acercábamos solo un píxel, su brillo subía y bajaba como una ola. El píxel vecino también lo hizo, pero su onda estaba un poco fuera de sintonía con la primera. Después de algunas pruebas y errores, decidimos usar el desfase de estas dos ondas como nuestro parámetro de pedido.
Aquí es donde se pone interesante. Descubrimos que había lugares donde la ola simplemente se detiene. Ahora, me encanta esto. estos puntos se comportan exactamente como partículas cargadas, con el que los físicos tienen mucha experiencia. Es como si tuvieran una carga de más o menos 1 dependiendo de si giran en sentido horario o antihorario. A veces se crean pares con cargas opuestas y, a veces, se aniquilan entre sí. Ahora tenemos todo este lenguaje para explicar cómo este sistema se autoorganiza en el espacio y en el tiempo. Creemos que estas partículas son los centros organizadores de la generación de fuerza. Controlan las propiedades de las ondas que le indican a la célula cuándo y dónde dividirse.
Ha utilizado la física para comprender lo que sucede en una célula. ¿Se ha movido al nivel de los organismos multicelulares?
Si dejas que las células sigan dividiéndose, básicamente obtienes esta flecha del tiempo progresando. Eventualmente tienes millones y millones de células formando un embrión de estrella de mar. El embrión tiene cilios y, en algún momento, los cilios comienzan a latir sincrónicamente y el embrión comienza a nadar. Nada con un movimiento giratorio de sacacorchos que puede atraer a otros embriones que giran.
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Una mañana llegamos al laboratorio y mis alumnos notaron que un montón de embriones se habían agrupado en la superficie del agua. Y los cúmulos, a los que llamamos "cristales vivos", también estaban girando, rompiendo la simetría entre las direcciones en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario. ¡Este sistema tiene tantos tipos de ruptura de simetría!
¿Qué podrías aprender de estos cristales vivientes?
Cuando apunta una cámara hacia el cristal y la hace girar a la misma velocidad para que no pueda ver la rotación, puede ver que todo el cristal parece moverse suavemente con ondas lentas.
Al mismo tiempo que estudiábamos esto, el grupo de Vincenzo Vitelli en Chicago estaba trabajando en una teoria donde básicamente tienes dos partículas con baterías internas que giran entre sí. Estas partículas en realidad pueden desafiar la tercera ley de movimiento de Newton: No hay acción y reacción iguales. La primera partícula afecta a la segunda de manera diferente a como la segunda afecta a la primera.
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Si tengo un material hecho de estas partículas giratorias, llamado material "extraño", cuando lo empujo, las interacciones desequilibradas entre las partículas hacen que el material gire. Es como si tuvieras un trompo y cuando empujas hacia abajo comienza a girar. El grupo de Chicago predijo que, bajo ciertas condiciones, estas rotaciones podrían sincronizarse para crear oscilaciones sostenidas.
Esta investigación de materiales extraños en sistemas vivos era completamente teórica hasta que mostramos que con nuestros cristales de embriones de estrellas de mar, que queman energía para girar de manera similar, realmente se puede obtener estas oscilaciones sostenidas.
¿Los embriones de estrellas de mar usan esta extraña propiedad para hacer algo útil?
¡Quizás! Las estrellas de mar desovan en charcas de marea donde la temperatura cambia mucho. Entonces, una idea es que los embriones se junten como una bandada de pájaros y usen su comportamiento colectivo como una forma de calentar o enfriar su entorno, dirigiendo el flujo de energía.
¿Cuál es el significado de este descubrimiento?
Construimos un cristal a partir de partículas biológicas y obtuvimos algo que nunca antes se había visto, lo que abre una serie de nuevas preguntas.
Por ejemplo, siempre pensamos que las células tenían propiedades de equilibrio con alguna actividad. Pero, ¿y si el sistema se define ante todo por su actividad fuera de equilibrio, como lo son estos materiales extraños? Las células están usando esta rareza, tal vez para mantenerse frescas. ¿Qué pasa si otros sistemas vivos también explotan propiedades como la rareza para funciones básicas? ¿Qué sucede si necesita este marco para comprender cómo funcionan los músculos?
Otra pregunta es: ¿Qué materiales podríamos construir una vez que entendamos mejor cómo funcionan los materiales vivos? En este momento, estamos sujetos a las leyes físicas que conocemos. Pero tal vez este tipo de investigación pueda darnos un gran salto en el tipo de funciones que podemos hacer que realicen los materiales.
El próximo gran paso será si podemos hacer una conexión entre las cantidades que hemos aprendido a medir y las funciones biológicas. Una característica definitoria de los sistemas vivos es que tienen un propósito. En los próximos años, mi sueño es conectar funciones particulares, digamos un tipo específico de movilidad celular, con números que podamos medir, como la disipación de energía. Encontrar este tipo de conexión es un objetivo mucho más grande.
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