Los experimentos con células y juguetes revelan los conceptos básicos del movimiento sincronizado tanto en objetos inanimados como en grupos vivos.

Los pájaros pululan en hermoso orden, los bancos de peces se deslizan por el agua como uno solo y miles de células se retuercen al unísono en nuestros cuerpos. Este movimiento colectivo surge del movimiento coordinado de muchos individuos, con implicaciones que van desde el desarrollo celular saludable hasta el control de multitudes y el comportamiento animal.

Sin embargo, los detalles de cómo la velocidad de los individuos afecta el movimiento coordinado general de un grupo no están claros. Un nuevo estudio, publicado en una preimpresión en línea, utiliza una combinación inventiva de imágenes de células vivas y juguetes para niños para determinar cómo una miríada de individuos autónomos convergen para moverse con una sincronización tan elegante.

Michael Riedl, un doctorado. Estudiante del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria, quedó fascinado por cómo los grupos de células pasan espontáneamente del movimiento caótico a la rotación hipnótica cuando se colocan en matrices circulares. ¿Podría descifrar algunos de los factores clave que controlan este movimiento celular coordinado?

Los factores que podrían afectar la locomoción celular incluyen la densidad celular y la velocidad de locomoción, pero la alteración de estos factores intrínsecos probablemente tendría efectos significativos en el comportamiento y la viabilidad de las células. En cambio, intentó sembrar células en campos de diferentes diámetros para ver qué efecto podrían tener las diferentes restricciones físicas.

Descubrió que cambiar el tamaño del límite de un grupo de células afecta su capacidad de sincronización.

«Se puede ver que con tamaños de inclusión más pequeños, el movimiento de las células se convierte en una rotación colectiva similar a un carrusel», explicó Riedl. Cambiar el tamaño del límite de un grupo de celdas afecta su capacidad de sincronización. El movimiento de rotación coordinado a través del grupo es claramente visible en grupos más pequeños, mientras que en masas más grandes se forman remolinos locales transitorios en bolsas dentro de la población.

“Las células se organizan de alguna manera, y no inmediatamente. A veces giran en una dirección, luego se estropean y se reorganizan. ¿Por qué es eso?», preguntó.

Para responder a esta pregunta, Riedl recurrió a un sistema modelo no convencional.

Aprende mientras juegas

En medio de los bloqueos de COVID-19, muchos de nosotros hemos estado haciendo compras en línea inusuales. Riedl ordenó docenas de Weasel Balls: pequeñas bolas de plástico con un motor desequilibrado que hace lo que parecen ser movimientos espasmódicos aleatorios, y una comadreja esponjosa adherida a ella para entretener a un gato o un niño.

“Esperé ansiosamente el paquete”, recuerda. Cuando finalmente llegaron, quitó las comadrejas y ahora tenía un modelo oscilante confiable y sus experimentos comenzaron con un puñado de bolas en un molde para pasteles.

«Me quedé allí, sosteniendo el molde para pasteles entre mis pies y observando el movimiento desde arriba», dijo. «Pronto, [the balls] entró en este rápido movimiento circular. Me sorprendió porque, aunque lo predije, nunca se sabe si funcionará en la vida real”.

Riedl amplió el experimento (después de comprar algunas bolas y baterías más) y encontró patrones de orden similares en escalas pequeñas y grandes como en el movimiento celular.

Del modelo a la realidad

«Podría detenerse aquí y decir que mostró algo similar a lo que sucede con las células, pero queríamos ir un paso más allá y ver si realmente era el mismo fenómeno en nuestro modelo biológico», dijo Riedl.

Para explorar los paralelismos entre el sistema modelo y el movimiento del mundo real, el equipo, que incluyó aportes de físicos y biólogos, visualizó el movimiento en las células a través de ondas de actina.

La actina es una proteína abundante involucrada en el movimiento celular y genera fuerza durante la polimerización a medida que las cadenas aumentan de tamaño. Las ondas de polimerización aplican fuerza a las células, al igual que el motor en la esfera, creando movimiento.

Un aspecto clave de esta sincronización es una forma de acoplamiento: la capacidad de los individuos para influir y alinearse con el movimiento oscilante de los demás. Esto sucedió cuando las balas chocaron y poco a poco alinearon su movimiento motor. La oscilación de las ondas de actina crea una interacción similar a nivel celular.

Otros experimentos revelaron que las ondas de actina eran fundamentales para el movimiento celular, con ondas de menor frecuencia que resultaban en velocidades más lentas. Las interacciones entre los patrones oscilantes fueron clave para el movimiento final de las células y contribuyeron a los patrones coordinados vistos en las primeras observaciones microscópicas.

Avanzar

Riedl describe el trabajo como «investigación impulsada por la curiosidad», pero señala que los mecanismos básicos, el movimiento impulsado por vibraciones en un gran número de individuos, son ubicuos.

«La física es nueva pero aplicable a varias cosas: piense en cómo evolucionan los cardúmenes, o cómo la velocidad de los peces depende de qué tan rápido aletean sus colas, o las aves de qué tan rápido aletean», dijo. “La mayoría de los procesos de migración dependen de procesos oscilantes.

“En biología, ves que la naturaleza de estas reacciones químicas no es tan aleatoria como podría pensarse inicialmente. Es un concepto poderoso ver colectivamente cosas como la migración celular como no aleatoria sino orquestada y autoorganizada en un solo nivel celular”.

Referencia: Michael Riedl, et al., Synchronization in Collectively Moving Inanimate and Living Active Matter, Preimpresión de bioRxiv (2022). DOI: 10.1101/2022.10.06.511128

Todos los videos e imágenes cortesía de Michael Riedl

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