Un depredador unicelular extiende su 'cuello' con la ayuda del origami
Investigadores de Stanford descubren cómo un una célula simple produce un comportamiento extraordinariamente complejo, todo ello sin un sistema nervioso. Es puro origami, dicen.
Por la Universidad de Stanford
Un Lacrymaria olor, un extraordinario ciliado, con el cuello retraído (arriba) y extendido (abajo). Los investigadores han descubrierto pliegues similares a los del origami que hacen posible esta transformación, en la que los microtúbulos definen los pliegues. Crédito: Prakash Lab
“Hay cosas en la vida que puedes observar y luego no dejar de observarlas nunca más”, dice Manu Prakash, profesor de Bioingeniería en la Universidad de Stanford, mientras muestra un video de su último motivo de fascinación, el organismo unicelular Lacrymaria olor, un protista de vida libre con el que se topó mientras jugaba con su Foldscope, un microscopio de papel equipado con una sola lente diseñado para tener un coste inferior a 1 dólar. “Es… simplemente… fascinante”, confiesa Prakash.
Los protistas son un grupo diverso de organismos eucariotas que no se clasifican fácilmente como animales, plantas o hongos. Este grupo incluye una amplia gama de organismos, como algas, protozoos y mohos mucilaginosos. Los protistas pueden ser unicelulares o multicelulares, y a menudo son acuáticos, tanto de agua dulce como marina.
“Desde el momento en que Manu me la mostró, quedé fascinado por esta célula”, dice Eliott Flaum, un estudiante de posgrado que trabaja en el laboratorio Prakash. Los dos han pasado los últimos siete años estudiando cada movimiento de Lacrymaria olor y recientemente han publicaron un artículo sobre su trabajo en Science. “La primera vez que regresé con una micrografía de fluorescencia fue simplemente impresionante— dice Flaum. Y añade: “Esa imagen está en el artículo”. Hermosa y fascinante, la foto de su Lacrymaria olor es en realidad la última portada de la revista Science.
El vídeo que Prakash ha colgado en YouTube (arriba) revela por qué este organismo es mucho más que una bonita imagen: una sola célula con forma de lágrima nada en una gota de agua de un estanque. En un instante, un largo y delgado cuello se proyecta desde el bulboso extremo inferior. Y sigue avanzando. Y sigue. Después, con la misma rapidez, el cuello se retrae como si nada hubiera pasado.
En cuestión de segundos, una célula de tan solo 40 micras de largo ha hecho brotar de su cuerpo un cuello que se extiende 1500 micras o más hacia el mundo. Es el equivalente a un ser humano de 1,80 metros proyectando su cabeza más de 60 metros. Todo ello a partir de una célula sin sistema nervioso.
“Estamos ante un comportamiento increíblemente complejo”, afirma Prakash.
Lacrymaria olor ha aterrizado en la portada de Science no por su belleza, sino porque Prakash y Flaum han descubierto en el comportamiento de este protista ciliado un nuevo mecanismo geométrico desconocido hasta ahora por los biólogos. Y son los primeros en explicar cómo una célula tan simple puede producir una morfodinámica tan increíble, un hermoso plegado y desplegado, en una alarde de origami o papiroflexia, a escala de una criatura unicelular. Y Lacrymaria olor consigue hacerlo una y otra vez, sin cometer un solo error.
Estamos ante el primer ejemplo de origami celular, que los biólogos han bautizado como lacrygami.
Es geometría. El comportamiento de Lacrymaria olor está codificado en su estructura citoesquelética, igual que el comportamiento humano está codificado en los circuitos neuronales.
”Este es el primer ejemplo de origami celular— afirma Prakash. Y añade—: Estamos pensando en llamarlo lacrygami”.
En concreto, se trata una variedad del origami tradicional conocida como origami de pliegues curvos. Se basa en una estructura de delgados microtúbulos helicoidales, una suerte de cordoncillos que envuelven la membrana celular. Estos cordoncillos de microtúbulos están envueltos en una delicada membrana diáfana, que define el patrón de arrugas en una serie de pliegues de montaña y valle.
Prakash y Flaum utilizaron la microscopía electrónica de transmisión y otras técnicas de investigación de vanguardia para demostrar que en realidad hay quince de estas cintas rígidas y helicoidales de microtúbulos que envuelven la membrana celular deLacrymaria olor: eso es, un citoesqueleto. Estos túbulos se enrollan y desenrollan dando lugar a largas proyecciones y retracciones, capaces de ordenarse sobre sí mismos como el fuelle de un acordeón helicoidal comprimido. La membrana se enrolla en el interior de la célula formando pliegues bien definidos.
“Cuando se almacenan pliegues en el ángulo helicoidal de esta manera, se puede almacenar una cantidad infinita de material— explica Flaum. Y añade—: La biología lo ha descubierto”.
La geometría es el destino.
La elegancia está en la aritmética. Es matemáticamente imposible que esta estructura se despliegue de otra forma, y, a la inversa, solo puede replegarse de una manera. Lo que quizá resulte más sorprendente para Prakash es la robustez de la arquitectura. A lo largo de su vida, Lacrymaria olor realizará esta proyección y retracción 50.000 veces sin fallos. “Este protista está obligado por su geometría a plegarse y desplegarse de esta forma concreta”, señala Flaum.
La clave es un fenómeno matemático poco estudiado que se produce en el punto preciso en el que los cordoncillos se retuercen y la membrana plegada comienza a desplegarse. Se trata de una singularidad, un punto en el que la estructura se pliega y despliega al mismo tiempo. Es ambas cosas a la vez: singular.
Tomando un trozo de papel, Prakash lo dobla en forma de cono y luego tira de una esquina del papel para demostrar cómo esta singularidad, llamada cono-d, viaja a través de la hoja en una línea ordenada. Y, al empujar de vuelta en la esquina, muestra cómo la singularidad viaja de vuelta por el mismo camino hasta su posición original.
"Se despliega y se dobla en esta singularidad cada vez, actuando como un controlador. Esta es la primera vez que se describe un controlador geométrico del comportamiento en una célula viva", explica Prakash.
Biología recreativa.
Un tema constante en el trabajo del laboratorio de Prakash es el profundo sentido de la maravilla y el juego que se traduce en la enérgica curiosidad necesaria para perseguir una idea durante tanto tiempo. En palabras de Prakash, es ciencia de la vieja escuela. Él también lo llama biología recreativa.
Para demostrar su inspiración, Prakash mostró un árbol genealógico de otros organismos unicelulares que ha elegido estudiar. Es cierto, ninguno puede hacer lo que Lacrymaria olor es capaz de realizar, dice. Pero estas geometrías intrincadas vienen en miles de formas. ¿Hermosas? Sin duda, pero cada una también oculta maravillosas y no escritas reglas bajo el brazo.
“Empezamos con un enigma— explica Prakash con toda la seriedad que puede reunir un científico. Y añade—:Ellie y yo nos hicimos una pregunta muy sencilla: ¿De dónde viene este material? ¿Y adónde va? Como campo de juego, elegimos el Árbol de la Vida. Siete años después, aquí estamos".
En cuanto a las aplicaciones prácticas, el ingeniero Prakash ya imagina una nueva era de máquinas vivas a microescala desplegables que podrían transformarlo todo, desde telescopios espaciales hasta robots quirúrgicos en miniatura para los quirófanos.
Información facilitada por la Universidad de Stanford -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón
Fuente: Eliott Flaum, Manu Prakash. Curved crease origami and topological singularities enable hyperextensibility of L. olor. Science (2024). DOI: 10.1126/science.adk5511
