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Artículos

Los lípidos bailan pogo

31/10/2018
Ilustración de una bicapa de lípidos en agua. Ilustración de una bicapa de lípidos en agua. Las líneas indican la corriente de agua cerca de la membrana, que genera un empuje de largo alcance entre los lípidos y un aumento de la difusión colectiva. | Dibujo de Rafael D. Buscalioni.

Rafael Delgado-Buscalioni y Sergio Panzuela describieron recientemente en Physical Review Letters un nuevo mecanismo de coordinación entre movimientos de lípidos de membrana. En este artículo de divulgación para UAM Gazette, los autores nos explican por qué, según su teoría, los lípidos ‘bailan pogo’, como si en un concierto de punk estuvieran.

 

 

Por Rafael Delgado-Buscalioni y Sergio Panzuela

 

La vida eligió cubrir cada célula con membranas formadas por bicapas de lípidos. La decisión fue sabia: estas bicapas lipídicas suelen ser fluidas y permiten transportar proteínas y mensajeros celulares, entre otros beneficios.

Algunas moléculas, como el colesterol, permiten rigidizar localmente la bicapa formando “balsas” en el fluido-membrana. Pero, ¿cuál es el papel del líquido que embebe a la membrana? Este trabajo introduce un nuevo elemento inesperado: el agua favorece la difusión colectiva de los lípidos.

En un trabajo reciente, publicado en Physical Review Letters, los aquí firmantes propusimos una respuesta inesperada: el líquido solvente favorece la difusión colectiva de los lípidos.

 

Difusión sobre la membrana

Los físicos Saffmann y Debrück mostraron en 1975 que, a escalas mayores que la micra, los movimientos sobre la membrana fluida son en parte frenados por la fricción con el líquido circundante. Es un precio que se paga reduciendo la difusión de las proteínas a grandes distancias.

Sin embargo, hasta ahora se pensaba que las pequeñas corrientes en la membrana –por debajo de la micra, donde se comunican las proteínas entre sí– se corresponden con las de un fluido estrictamente bidimensional.

En nuestro trabajo estudiamos las corrientes de lípidos de membranas usando diversas técnicas de simulación: por un lado, dinámica molecular, que incluye moléculas de agua y lípidos con gran lujo de detalles; y por otro, un modelo hidrodinámico con una membrana simplificada, donde el líquido es un medio continuo fluctuante.

Tras medir la difusión de una mancha de lípidos el resultado fue desconcertante: las manchas de mayor tamaño se difunden más rápidamente. ¡Todo lo contrario que ocurre en el régimen de Saffmann-Debrück!


Hidrodinámica confinada

Para entender este resultado usemos una analogía con nanopartículas atrapadas en un plano, pero embebidas de líquido por todas partes. Esto es lo que se denomina hidrodinámica quasi-2D.

Este modelo simplificado permite un desarrollo teórico exacto cuya solución (obtenida en trabajos anteriores) concuerda asombrosamente bien con las simulaciones numéricas (de ambos métodos). El acuerdo teoría-experimento sugiere una explicación a este fenómeno de difusión anómala, es decir, anómalamente rápida.

Para explicarlo hagamos un receso. La fuerza que hacemos sobre un objeto en un líquido se reparte rápidamente por el líquido en distintas direcciones y hasta grandes distancias. Es algo así como la perturbadora sensación de ser el primero en tirarse a una prístina piscina en reposo. En el mundo microscópico ocurre algo parecido, cada manotazo en el agua se correspondería con un desplazamiento aleatorio de una nano-partícula que empuja así al resto. Todas se empujan mutuamente a través del líquido. Esto obviamente genera correlaciones entre los desplazamientos de nanopartículas distantes entre sí.

Lo bello de la teoría de la regresión del premio nobel Lars Onsager –las fluctuaciones de lo pequeño reproducen la física de lo grande– es que las correlaciones microscópicas siguen exactamente la forma de las corrientes hidrodinámicas en las grandes escalas, por ejemplo, en una piscina.

Por cierto, lo que afirmó Onsager no es baladí, pues permite a un experto en hidrodinámica trabajar en las escalas nanométricas donde todo fluctúa.

Volviendo a nuestra analogía, para confinar una nanoparticula en el plano hace falta hacer una fuerza, de lo contrario las fluctuaciones la sacarían de inmediato. Esta fuerza (osmótica en el argot) se propaga en todas direcciones a través del líquido circundante, como ya explicamos. Y en particular se propaga también en el plano, empujando al resto de las nanopartículas que allí habitan confinadas.

El resultado es como una repulsión colectiva, donde todos se empujan mutuamente y por tanto se esparcen más rápidamente. La analogía con el fenómeno en membranas es válida sustituyendo nanopartículas por lípidos y fuerza osmótica por fuerza de cohesión de la membrana. Si la mancha es mayor, más población tendremos para empujarse mutuamente y más rápido se esparcirán. Es algo así como el baile ‘pogo’ en la cultura punk. ¿Que no saben lo que es el pogo punk? Búsquenlo en la web.

Este resultado aparentemente contradice la teoría de Saffmann y Debruck (teoría SD). Esto sería una pequeña bomba en el campo ya que la teoría SD es muy aceptada. Pero la verdad es que no existe tal contradicción, pues el fenómeno de empuje colectivo ocurre en tiempos del orden de unos 10 a 100 nanosegundos, tras los que la dinámica lipídica comienza a parecerse a SD.

Sin embargo, estas escalas de tiempo son más que suficiente para que dos proteínas cercanas se acerquen y entablen una cordial charla bioquímica. De hecho, la difusión anómala podría fomentar los encuentros, ¡como ocurre con los que bailan pogo!

Ah, ¿que todavía no lo han buscado? ¿A que esperan? Mientras, en el Grupo de Materia Blanda del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la UAM estamos intentando comprobar esta última afirmación, porque por ahora es sólo una sugerente hipótesis.

 

 

 

Rafael Delgado-Buscalioni y Sergio Panzuela son investigadores del Grupo de Materia Blanda, en el Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).