Una conexión cósmica: cómo nuestras células se parecen a estrellas de neutrones

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Puede que los seres humanos estemos más alineados con el universo de lo que creamos.

Según una investigación publicada en la revista Physical Review C, las estrellas de neutrones y el citoplasma celular tienen algo en común: estructuras que recuerdan a aparcamientos de varios pisos.

En 2014, el físico de materia condensada blanda de la Universidad de California en Santa Barbara (UCSB), Estados Unidos, Greg Huber, y sus colegas exploraron la biofísica de este tipo de formas (hélices que conectan pilas de láminas uniformemente espaciadas) en un organelo celular llamado retículo endoplásmico. Huber y sus colegas los llamaron rampas de Terasaki en honor a su descubridor, Mark Terasaki, un biólogo celular en la Universidad de Connecticut en Estados Unidos.

Huber pensó que estos “aparcamientos” eran específicos de la materia blanda (como el interior de las células) hasta que se topó con el trabajo del físico nuclear Charles Horowitz en la Universidad de Indiana en Estados Unidos. Mediante simulaciones por ordenador, Horowitz y su equipo habían hallado las mismas formas en la corteza de las estrellas de neutrones.

(Imagen ampliable)Una estrella de neutrones es un tipo de remanente estelar resultante del colapso gravitacional de una estrella supergigante masiva después de agotar el combustible en su núcleo y explotar como una supernova. Contiene la masa de un sol concentrada en el tamaño de una gran ciudad.

“Llamé a Chuck y le pregunté si conocía que habíamos observado estas estructuras en las células y habíamos elaborado un modelo para ellas”, dijo Huber, subdirector del Instituto Kavli para Física Teórica (KITP) de la UCSB. “Fue algo nuevo para él, así que me di cuenta de que podría surgir una interacción fructífera”. La colaboración resultante, publicada en Physical Review C, exploró la relación entre dos modelos muy diferentes de la materia.

Los físicos nucleares cuentan con una apta terminología para toda la clase de formas que ven en sus simulaciones por ordenador de alto rendimiento de estrellas de neutrones: pasta nuclear. Estos incluyen tubos (espaguetis) y hojas paralelas (lasaña) conectados por formas helicoidales que se parecen a las rampas Terasaki.

“Observan una variedad de formas que vemos en la célula”, explicó Huber. “Vemos una red tubular; Vemos láminas paralelas. Vemos láminas conectadas entre sí a través de defectos topológicos que llamamos rampas Terasaki. Así que los paralelismos son bastante profundos”.

Sin embargo, se pueden encontrar diferencias en la física subyacente. Típicamente la materia se caracteriza por su fase, que depende de las variables termodinámicas: densidad (o volumen), temperatura y presión; factores que difieren mucho del nivel nuclear al contexto intracelular.

“En las estrellas de neutrones, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética crean lo que es fundamentalmente un problema cuántico-mecánico”, explicó Huber. “En el interior de las células, las fuerzas que mantienen juntas las membranas son fundamentalmente entrópicas y tienen que ver con la minimización de la energía libre total del sistema. A primera vista, no podrían ser más diferentes”.

Otra diferencia es la escala. En el caso nuclear, las estructuras se basan en nucleones tales como protones y neutrones y estos bloques de construcción se miden usando femtómetros (10^-15). Para las membranas intracelulares como el retículo endoplásmico, la escala de la longitud es de nanómetros (10^-9). La proporción entre los dos es un factor de un millón (10^-6), sin embargo estos dos regímenes muy diferentes originan las mismas formas.

(Imagen ampliable) Ilustración tridimensional de una celula animal o humana, mostrando el citoplasma como la sustancia en la que se “bañan” los organelos.

“Esto significa que existe algo profundo que no entendemos acerca de cómo modelar el sistema nuclear”, dijo Huber. “Cuando tienes una densa colección de protones y neutrones como la que encuentras en la superficie de una estrella de neutrones, la fuerza nuclear fuerte y las fuerzas electromagnéticas conspiran para darte fases de la materia que serías incapaz de predecir si acabaras de observar aquellas fuerzas operando en pequeñas colecciones de neutrones y protones”.

La similitud de las estructuras es fascinante tanto para los físicos teóricos como para los nucleares. El físico nuclear Martin Savage estuvo en la KITP cuando encontró gráficos del nuevo artículo sobre arXiv, una biblioteca de preimpresión que publica miles de artículos de física, matemáticas y ciencias de la computación. Inmediatamente se despertó su interés.

“Que fases similares de la materia emerjan en sistemas biológicos fue muy sorprendente para mí”, dijo Savage, un profesor de la Universidad de Washington en Estados Unidos. “Hay algo claramente interesante aquí”.

El coautor Horowitz estuvo de acuerdo. “Ver formas muy similares en sistemas tan sorprendentemente diferentes sugiere que la energía de un sistema puede depender de su forma de una manera simple y universal”, dijo.

Huber señaló que estas similitudes son todavía bastante misteriosas. “Nuestro trabajo no es el final de algo”, dijo. “Es realmente el comienzo de mirar estos dos modelos”.

* Artículo originalmente publicado por la Universidad de California en Santa Bárbara, revisado y traducido por ¡QFC!

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2017-01-24T12:08:15+00:00