Un conjunto universal de leyes de construcción parece
guiar la concepción de estructuras orgánicas, desde los simples compuestos de
carbono hasta las células y los tejidos más complejos.
La vida es la complejidad misma. Sea una
bacteria o una ballena, los organismos se desarrollan según interacciones
complejas de un gran número de compuestos diferentes. Estos mismos compuestos,
o subsistemas, están constituidos por elementos más pequeños cuyo comportamiento
dinámico es autónomo y específico, por ejemplo la capacidad de catalizar reacciones
químicas. Pero cuando estos elementos están combinados en unidades funcionales
más grandes, como une célula o un tejido, propiedades inesperadas aparecen, como
la capacidad de desplazarse, de cambiar de forma y de crecer.
Aún que los investigadores sean
concientes de esta extraña particularidad, no la han tenido suficientemente en
cuenta en sus explicaciones de los principios fundamentales de la vida. En las
últimas décadas, biólogos han explorado el funcionamiento del cuerpo humano
caracterizando las propiedades de los materiales y de las moléculas esenciales
de la vida, entre las cuales el DNA, material base de los genes. Se esfuerzan
hoy en identificar cada elemento del conjunto -el genoma, característico de
cualquier ser humano. Porque los genes especifican la naturaleza de las
proteínas, las moléculas claves de la vida, Santo Graal de la biología
molecular, se constituirá en un futuro próximo un catálogo casi completo de las
moléculas de un ser humano. Sin embargo, la estructura de las varias partes de
una maquina compleja, célula o motor a explosión, no explica el funcionamiento
del conjunto. Así que identificar y describir las piezas del puzzle molecular
solo es de poca ayuda para la comprensión de las leyes que rigen su ensamblaje.
La naturaleza utiliza reglas de
ensamblaje sencillas ilustradas por la existencia, tanto a escala molecular
como a escala macroscópica, de motivos como espirales, pentágonos y triángulos.
Estos motivos aparecen en las estructuras cristalinas las más regulares y en
las proteínas más retorcidas, en
organismos tan diferentes como el virus, el plancton y el ser humano. ¿Es esto
tan extraño? La materia orgánica y mineral es formada por los mismos elementos
constitutivos: átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo; la
única diferencia está en su conformación espacial.
Este fenómeno, donde los constituyentes
se conjugan para dar lugar a estructuras estables más grandes cuyas propiedades,
nuevas, no podían ser previstas por las únicas características de los elementos
individuales, es conocido como auto-ensamblaje. En la naturaleza, se manifiesta
a diferentes escalas. En el cuerpo humano por ejemplo, grandes células se auto-ensamblan
en compuestos celulares, u orgánulos, que se auto-ensamblan en células; estas
células se auto-organizan en tejidos y los tejidos en órganos. El resultado es
el cuerpo, organizado jerárquicamente en superposiciones de sistemas encajados en
sistemas. Así que para entender como se forman y funcionan los seres vivos, nos
queda por descubrir estos principios básicos que guían la organización
biológica.
A pesar de siglos de estudio, los
investigadores todavía entienden poca cosa de las fuerzas que llevan los átomos
a auto-ensamblarse en moléculas. Saben aún menos sobre como grupos de moléculas
se conjugan para crear las células vivas y los tejidos. Sin embargo, estos 20
últimos años, he descubierto y estudiado un aspecto desconcertante, pero
aparentemente fundamental, del auto-ensamblaje. Una increíble variedad de
sistemas naturales, átomos de carbono, moléculas de agua, proteínas, virus,
células, tejidos e incluso los seres humanos y los otros seres vivos, son
construidos sobre un mismo principio arquitectural conocido como tensegridad.
Este término caracteriza la facultad de un sistema de estabilizarse
mecánicamente gracias al juego de las fuerzas de tensión y de compresión que se
reparten y se equilibran sobre la estructura.
Este descubrimiento fundamental podría
ser aplicado a muchos campos. A nivel celular, la tensegridad nos permite
entender como la forma celular y las fuerzas mecánicas, como la presión en los
vasos sanguíneos o la compresión en los huesos, influyen en la actividad de los
genes. Una mejor comprensión de las reglas naturales del auto-ensamblaje nos
permitirá, en aplicaciones que van de la concepción de medicamentos a la
fabricación de tejidos, integrar con más pertinencia las características de las
moléculas, de las células y de los otros constituyentes biológicos. La
omnipresencia de la tensegridad en la naturaleza abre nuevas perspectivas sobre
las fuerzas que regulan la organización biológica y, podría ser, sobre la
evolución misma.
¿Que
es la tensegridad?
En el medio de los años 70, en la
universidad de Yale, estudiaba en paralelo biología celular y escultura, tuve
entonces el sentimiento de que la estructuración de los seres vivos tiene más
que ver con la arquitectura que con la composición química. Las moléculas y las
células que constituyen nuestros tejidos se renuevan constantemente y es la
perennidad de sus motivos y de su arquitectura que llamamos vida.
Las estructuras establecidas con
tensegridad son estabilizadas, no por la resistencia de los constituyentes
individuales sino por la repartición y el equilibrio de las tensiones mecánicas
sobre la totalidad de la estructura. Estas estructuras se reparten en dos
categorías. En la primera, se clasifican las armaduras constituidas por barras
rígidas, donde cada una puede trabajar en tracción y en compresión, y que son
ensambladas en triángulos, en pentágonos o en hexágonos. La orientación de las
barras determina la posición de cada junción y garantiza la estabilidad de la
estructura. Los domos geodésicos de Buckminster Fuller son constituidos así.
La segunda categoría engloba las estructuras estabilizadas por pretensión, una idea concebida por Kenneth Snelson. En estas elegantes esculturas, los elementos que trabajan en tracción son distintos de los que trabajan en compresión. Antes que este tipo de estructura sea sometido a una fuerza externa, todos los elementos que la constituyen están pretensados, en tracción o en compresión. Dentro de la estructura, las barras rígidas en compresión ejercen una fuerza de tracción sobre los elementos elásticos en tracción que a su vez comprimen las barras rígidas. Estas fuerzas opuestas se equilibran en el conjunto de la estructura y la estabilizan.
Estos dos tipos de estructuras tienen una característica común: las fuerzas están transmitidas a todos los elementos estructurales. En otras palabras, un incremento de la tensión sobre uno de los elementos es transmitido a todos los otros elementos de la estructura, hasta los más alejados. Este aumento global de la tensión es equilibrado por un aumento de la compresión de ciertos elementos de la estructura. Esta estructura se estabiliza por un mecanismo que asocia tensión global y compresión local. Al opuesto, la mayoría de los edificios traen su estabilidad de la existencia de una compresión debida a la fuerza de gravedad.
En estas estructuras, que sean los domos
de Buckminster Fuller o las esculturas de Kenneth Snelson, los elementos sobre
los cuales se ejercen las fuerzas de tracción se reorganizan minimizando la
longitud entre dos puntos de la estructura (por esto son organizados de manera
geodésica). Las fuerzas de tensión se transmiten naturalmente sobre la
distancia más corta entre dos puntos, así, las partes de las estructuras con
tensegridad están en la mejor posición para soportar un estrés. Por eso una
estructura con tensegridad ofrece la máxima resistencia para una mínima
cantidad de material de construcción.
Del
esqueleto al citoesqueleto
¿Que relación hay entre tensegridad y
cuerpo humano? Los principios de la tensegridad se aplican a todas las escalas
del cuerpo. A escala macroscópica, los 206 huesos que componen nuestro
esqueleto están comprimidos por la fuerza de gravedad y estabilizados en la
posición vertical gracias a la tracción ejercida por los músculos, los tendones
y los ligamentos (que tienen un papel parecido a los cables de las esculturas
de Kenneth Snelson). En el organismo, los huesos son las estructuras de
compresión cuando los músculos, los tendones y los ligamentos trabajan en
tracción. A la otra punta de la escala, las proteínas y otras moléculas
esenciales también están estabilizadas por tensegridad. Me he interesado
particularmente al nivel intermediario entre estos dos extremos: la escala
celular.
En Yale, trabajaba con James D. Jamieson y
me interesaba a las interacciones mecánicas de los constituyentes de los
sistemas biológicos y particularmente de las células. En esta época, a finales
de los 70, los biólogos se representaban la célula como un gel o un fluido
viscoso delimitado por una membrana, más o menos una pelota llena de melaza. Se
sabía que las células contienen una armadura interna, o citoesqueleto,
compuesto de tres proteínas: los microfilamentos, los filamentos intermediarios
y los microtúbulos. No obstante, su papel en el control de la forma de las
células era mal definido y entendido.
En esa época también nos cuestionábamos
sobre el comportamiento de las células cuando están dispuestas sobre diferentes
superficies. Se sabía que las células se desparramaban y se aplanaban cuando
adherían a vidrio o a plástico. En 1980, Albert K. Harris, de la Universidad de
Carolina del Norte, mostró que cuando están fijadas sobre un substrato de
caucho flexible, las células se contraen y se aplastan menos. El aplastamiento
está reducido por la deformación del caucho.
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Este comportamiento se explica si se
considera la célula como una estructura con tensegridad. Par demostrarlo,
fabriqué una célula compuesta de seis varillas de madera de un juego de
elásticos. Disponía las varillas, sumisas a compresión, en tres pares. Cada par
era perpendicular a los dos otros sin que ninguna de las varillas se tocara.
Los elásticos, sumisos a la fuerza de tensión, unían las extremidades de todas
las varillas, tirando sobre estas hasta que se dispusieran en una forma
tridimensional estable. Para simular el núcleo, coloqué un modelo de
tensegridad esférico más pequeño en la estructura grande que representaba el
resto de la célula. En fin, para imitar las conexiones del citoesqueleto entre
el núcleo y el resto de la célula, até elásticos que iban de la superficie de
la grande estructura con tensegridad a la más pequeña, situada en el interior.
Cuando se aprieta este modelo con
tensegridad se aplana. En cuanto se suprime la presión, la energía almacenada
en los filamentos tensos devuelve, como un muelle, la forma original, casi
esférica. Para simular el comportamiento de las células cuando son colocadas en
una superficie, imité un substrato de vidrio o de plástico agarrando
fuertemente un trozo de tela a un cuadro de madera. Fijé el modelo con
tensegridad a este substrato y lo aplané cosiendo las extremidades de algunas
de las varillas a la tela. Estas uniones simulaban las integrinas, las
moléculas que permiten la adherencia de las células entre si o a su substrato.
Cuando las extremidades de las varillas
eran cosidas a la tela fuertemente cogida, el modelo se quedaba aplanado,
exactamente como una célula de verdad encima de un substrato rígido. Cuando
soltaba la tela de su cuadro de madera, el modelo con tensegridad recobraba su
forma esférica arrugando la tela. Además, cuando aplanaba y fijaba el modelo a
la tela, la célula y su núcleo se deformaban juntos: el modelo del núcleo se
desplazaba hacia abajo en el modelo de la célula. Luego demostré que las
“verdaderas” células se aplanan y se orientan de la misma manera cuando
adhieren a un substrato: así que las estructuras con tensegridad imitan el
comportamiento de las células de los organismos vivos.
Malla
interna de las células
En los años que siguieron este experimento, los conocimientos sobre la constitución mecánica de las células reforzaron la pertinencia del modelo. Además, conforme a los modelos con tensegridad, la estructura de la mayoría de las células depende no solo de los tres tipos principales de filamentos del citoesqueleto, pero también de la matriz extracelular a la cual son naturalmente unidas las células en el organismo.
Al interior de una célula, las tensiones
mecánicas se reparten en la red de microfilamentos elásticos de todo el
citoesqueleto. Estos microfilamentos tiran la membrana de la célula y todos sus
constituyentes internos hacia el núcleo central. Dos tipos principales de elementos trabajando en compresión se oponen a estas tracciones hacia el interior,
uno situado afuera y el otro adentro. El
compuesto externo es la matriz extracelular. Las varillas internas comprimidas
son o microtúbulos, o grandes haces de microfilamentos entrecruzados al
interior del citoesqueleto. Los filamentos intermediarios, el tercer compuesto
del citoesqueleto, constituyen los órganos de unión del conjunto, conectando
los microtúbulos y los microfilamentos contráctiles tanto entre ellos como a la
membrana celular y al núcleo. Además constituyen unas especies de tirantes que
mantienen en su sitio e inmovilizan el núcleo en el centro. Aún que el
citoesqueleto esté rodeado por membranas y que bañe en un líquido viscoso, es
esta red de varillas y cables que estabiliza la forma de la célula.
Si la célula y el núcleo están
físicamente conectados por filamentos elásticos y no solo por un citoplasma fluido,
entonces una tracción sobre receptores de la superficie de la célula produce en
seguida un cambio estructural en lo más profundo de la célula. Andew Maniotis,
en mi equipo, ha hecho recientemente la demostración directa del hecho fijando micro
pipetas a los receptores de adherencia a la superficie de células t ejercitando
una tracción hacia fuera, se produce inmediatamente un realineamiento de los
filamentos del citoesqueleto y de las estructuras internas del núcleo en la
dirección de la tracción.
Como
la mecánica controla la bioquímica
La tensegridad explica otros fenómenos
que la estabilización de la forma de las células y de los núcleos. En el medio
de los años 80, Steve Heidemann, que trabajaba con Harish Joshi y Robert
Buxbaum, en la Universidad
del Michigan, demostró que la tensegridad explica como las células nerviosas
desarrollan prolongamientos delgados y muy largos, llamados neurita que están
llenos de microtúbulos y transmiten señales eléctricas en el sistema nervioso.
Este crecimiento es necesario para las reparaciones de las lesiones nerviosas.
El equipo de S. Heidemann descubrió que
en la extremidad de las neuritas los microfilamentos contráctiles ejercen una
tracción longitudinal, comprimiendo los microtúbulos que rodean. Más importante
aún, observó que el alargamiento de los microtúbulos, y de ahí, la extensión de
las neuritas, resulta de la transferencia de las fuerzas de compresión de los
microtúbulos hacia las ataduras de la célula a la matriz extracelular, en la
punta de la neurita. En otras palabras, la existencia de un equilibrio de las
fuerzas de tensegridad es una manera de integrar mecánica y bioquímica a nivel
molecular.
Recientemente, Andrew Matus, del
instituto Friedrich Miescher de Basel (Suiza), remató este experimento: hizo
células donde los microtúbulos son fluorescentes y pude así observar la desviación
de estos microtúbulos cuando están comprimidos.
La tensegridad muestra que la estructura
del citoesqueleto celular está modificada por las fuerzas transmitidas a través
de la superficie celular. Este descubrimiento es importante porque un gran
número de enzimas y otras sustancias que comandan la síntesis de proteínas, la
conversión de la energía y el crecimiento están fijados en el citoesqueleto.
Así que una modificación de las características geométricas y mecánicas del
citoesqueleto podría influir en las reacciones bioquímicas, alterar los genes
activados y entonces la fabricación de proteínas.
Para testar estas hipótesis, Rahul
Singhvi y Christopher Chen, de mi equipo, han trabajado en colaboración con
Georges M. Whitesides, también de Harvard, y han desarrollado un método para
fabricar formas celulares. Han constreñido células vivas a tomar varias formas
-esférica, plana, redonda o cuadrada- disponiéndolas sobre minúsculas “islas”
de matriz extracelular y rodeadas de superficie de teflón, donde las células no
pueden adherir.
Actuando sobre la forma de las células, activaban
programas genéticos específicos. Las células desparramadas y aplanadas tenían
tendencia a dividirse mientras que las células redondas que no podían
expandirse activaban un programa de muerte programada llamado apoptosis. Cuando
las células no eran ni demasiado desparramadas ni demasiado comprimidas, ni se
dividían ni morían sino que se diferenciaban en tejidos específicos: las
células capilares formaban tubos capilares huecos, las células hepáticas
segregaban proteínas que el hígado suele proporcionar al torrente sanguíneo,
etc.
Así, la restructuración mecánica de la
célula y del citoesqueleto manda el funcionamiento de la célula. Las células
muy aplanadas, cuyo citoesqueleto es estirado, “sienten” que un número mayor de
células es necesario para cubrir el substrato –como en la cicatrización de una
herida- y que una división celular se impone. La forma redondeada corresponde a
una situación donde demasiadas células compiten sobre la matriz, algunas tienen
que morir para evitar la proliferación incontrolada y la formación de un tumor.
Entre estas dos situaciones extremas, el tejido se comporta normalmente.
Entender como ocurren estos cambios abre nuevas perspectivas para el
tratamiento del cáncer o la reparación de los tejidos, y podría servir incluso
para la creación de tejidos artificiales.
Deformación
voluntaria de las células
En la jerarquía del auto-ensamblaje, el
siguiente nivel es la formación de los tejidos creados por la unión de las células
entre ellas y con su matriz extracelular. Una propiedad capital de los tejidos
es su comportamiento mecánico. Una gran variedad de tejidos, como los músculos,
el cartílago, los vasos sanguíneos y la piel, reaccionan según una ley de
endurecimiento linear. Cuando estira su piel, por ejemplo, siente el incremento
de la resistencia a medida que tira más fuerte. Para un incremento de la fuerza
externa se opone un incremento de la resistencia. Trabajos recientes muestran
que incluso moléculas aisladas como el DNA manifiestan endurecimiento linear.
Antes del modelo con tensegridad, no existía ninguna explicación mecánica ni
matemática de este comportamiento.
En 1993, Ning Wang y James Butler concibieron
un dispositivo que permite deformar moléculas situadas sobre la membrana
externa de las células vivas y de medir simultáneamente las reacciones
celulares. Constatamos que aumentando las tensiones sobre las integrinas
(moléculas que atraviesan la membrana celular y juntan la matriz extracelular
al citoesqueleto interno), las células reaccionan incrementando su resistencia,
como los tejidos. Además, las células se vuelven rígidas o se ablandan
modificando la pretensión del citoesqueleto, cambiando por ejemplo la tensión
de los microfilamentos contráctiles.
Utilizando un modelo con tensegridad a
base de varillas y elásticos, hemos demostrado que las células reaccionan como
estructuras con tensegridad (todavía desconocemos los detalles de las
interacciones). Todos los elementos estructurales interconectados de un modelo
con tensegridad modifican ellos mismos su disposición en reacción a una tensión
local. Entonces se explica el endurecimiento linear: cuando la fuerza aplicada
aumenta, siempre más elementos se disponen en la dirección en la cual se ejerce
la tensión.
Con Dimitrije Stamenovic, en Boston,
concebimos un modelo matemático que predice el endurecimiento linear de los
tejidos, de las células e incluso de las moléculas. Utilizaremos este modelo
para facilitar la concepción de materiales nuevos con esta propiedad y que
servirían para revestimientos protectores y órganos artificiales.
Los trabajos de N. Wang sobre la
deformación magnética y los experimentos de tracción de A. Maniotis han
demostrado que las tensiones aplicadas a receptores de la superficie celular
que están relacionados con el metabolismo – y no con la adherencia- no repercuten
al interior de la célula. Estos estudios confirman que las fuerzas mecánicas
están transmitidas al interior de las células por trayectos moleculares
específicos. Ahora entendemos mejor como las células detectan los estímulos
mecánicos que regulan el desarrollo de los tejidos. Estos entendimientos
alumbran todo un conjunto de fenómenos, desde la activación de un músculo
sometido a una tensión hasta el crecimiento de las raíces de las plantas
sometidas a la gravedad.
Los
domos geodésicos moleculares
Aún que los modelos con tensegridad hayan
dilucidado numerosos comportamientos celulares, un enigma persistía. Numerosas
células se desparraman y se aplanan aún que no tengan microtúbulos, estas
varillas trabajando en compresión que tienen un papel tan fundamental en este
modelo. Si, en su ausencia, las células vivas pueden pasar de una forma
esférica a una forma redondeada ¿Cómo se manifiesta la tensegridad? Procediendo
con una modelización basta, fui sorprendido descubrir que la red de
microfilamentos es en si misma une estructura con tensegridad.
En el citoesqueleto de una célula, los
microfilamentos contráctiles forman una red que se reorganiza localmente según
varias formas, como grandes haces o mallas de triángulos. Para estudiar el
mecanismo que rige esta reorganización, modelisé la red de microfilamentos con
una armadura poliédrica hecha con pajas y constituida por seis triángulos y
cuatro cuadrados. Un único elástico juntaba todas las pajas. Supuse que cada
paja representaba un microfilamento contráctil, capaz de ejercer tensión
mecánica acortándose. Se sabe que los microfilamentos contráctiles incrementan
su resistencia a medida que se acortan. Así que, en el modelo, el elástico
interno imitaría la tensión continua en toda la estructura, resultado del
acortamiento de los microfilamentos endurecidos.
Este modelo de pajas representaba una
unidad citoesquelética modular unida en todas direcciones con otros módulos
parecidos para formar una célula aislada, sin ataduras, aproximadamente
esférica. La pregunta que intentaba responder era: ¿Qué pasará con este armazón
cuando la célula se pegará a una superficie rígida?
Las células se fijan estableciendo
uniones con las moléculas de la superficie de la matriz extracelular. En la
realidad, las células no están “pegadas” a la matriz sino “soldadas punto por
punto” en sitios específicos. Los microfilamentos contráctiles reaccionan a
este anclaje acortándose y aumentando la tensión en toda la malla. Los modelos
de paja dejaban preveer que el incremento de la tensión resultando del anclaje
llevaría los microfilamentos contráctiles individuales (los cuadrados del
modelo) a auto-ensamblarse en haces lineares tensados entre los puntos de
adherencia, donde las integrinas fijan la célula a la matriz. De hecho, cuando
las células se desparraman sobre una superficie, los microfilamentos
contráctiles se alinean para formar haces.
En cambio, en la parte superior de la
célula, no hay substrato adhesivo que pueda oponerse a la tracción de los
microfilamentos que se contraen. Allí, la única oposición a la contracción de
cada microfilamento es la tracción y la resistencia ejercida por los filamentos
vecinos. Hace varios años, Buckminster Fuller mostró que la tracción y la
torsión hacia dentro llevan estos poliedros a experimentar una transformación “desarticulada”:
el armazón muy flexible de cuadrados y triángulos se transforma en una
estructura con tensegridad completamente triangulada.
Juntando varios modelos hechos con pajas,
constaté que cada módulo se contracta progresivamente para formar un armazón
geodésico compacto, formado alternativamente por octaedros y tetraedros. Dentro
la célula, la contracción de las redes de microfilamentos unidos a la base de
la célula debería estirar este armazón hacia abajo, encima del núcleo esférico,
transformándolo así en un domo triangulado, o más bien un domo geodésico.
Elias Lazarides, Mary Osborn y Klaus
Weber, del Instituto Max Planck de Göttingen, han observado estas
transformaciones en el citoplasma, encima del núcleo de células desparramadas.
Esta confirmación de la existencia de un domo geodésico al interior del
citoesqueleto es concluyente: las células utilizan realmente una arquitectura
con tensegridad para dar forma a su citoesqueleto.
¿un
patrón universal?
La estructura geodésica observada en el
interior del citoesqueleto es un ejemplo clásico de un dibujo natural que
existe a todas las escalas. Grupos esféricos de átomos carbono –fullerenos- así
que los virus, enzimas, orgánulos, células e incluso pequeños organismos tienen
formas geodésicas. ¿Por qué? En mi opinión la repetición de este patrón
constituye una prueba visible de la existencia de leyes básicas para el
auto-ensamblaje. En particular, todas estas entidades se estabilizan en tres
dimensiones de la misma manera, reorganizando sus elementos para minimizar la
energía y la masa gracias a tensiones ejercidas de forma continua y de
compresiones locales, es decir gracias a la tensegridad.
El ensamblaje de un virus, la formas de
vida más pequeña del planeta, utiliza uniones entre un gran número de proteínas
que se ensamblan en una envoltura viral geodésica que encierra el material
genético. En la formación de un virus, extensiones lineares de proteínas
solapan prolongamientos contiguos de otras proteínas para constituir un armazón
geodésico triangulado a escala nanométrica. Cada junta de este armazón se
estabiliza como resultado del equilibrio entre las fuerzas de atracción
intermoleculares (uniones de hidrógeno) y la capacidad individual de los
prolongamientos proteicos de resistir las compresiones y las deformaciones.
El mismo esquema básico vuelve a
encontrarse en la estructura de los fullerenos, a parte que los bloques de
construcción son átomos y no proteínas. Efectivamente, 60 átomos de carbono
forman una esfera geodésica recubierta por 20 hexágonos alternando con 12
pentágonos: es el dibujo de una pelota de football. Las 90 uniones carbono-carbono de un
fullereno son las varillas de una esfera con tensegridad.
Pero parece menos evidente que estas
mismas reglas de construcción se puedan aplicar ad estructuras irregulares,
como numerosas moléculas biológicas cuya forma no es geodésica. Las proteínas,
que imponen la estructura de las células y varias de sus funciones, son largas
cadenas de amino-ácidos. Pequeñas regiones de este esqueleto de amino-ácidos se
doblan en hélices que se estabilizan por el equilibrio entre las fuerzas de
atracción de las uniones de hidrógeno y las fuerzas que permiten a las
proteínas de resistir la compresión: estas regiones helicoidales se estabilizan
gracias a la tensegridad, igual que cualquier molécula helicoidal, como el DNA.
La organización de una proteína también
es un ensamblaje jerárquico. Las pequeñas regiones, vueltas rígidas por su
disposición en hélice, están separadas por secuencias del mismo acido-aminos
que se comportan como articulaciones flexibles. Estas regiones se doblan sobre
ellas mismas (por las uniones de hidrógeno) para estabilizar el conjunto de la
molécula. Las hélices vueltas rígidas pueden ser comprimidas localmente aún que
las fuerzas sean equilibradas en el conjunto de la molécula pretensada.
Como una fuerza, incluso localizada,
puede modificar la forma global de una estructura con tensegridad, la unión de
una molécula a una proteína puede imponer una reorganización de las varias
regiones helicoidales en toda la longitud de la proteína. Por ejemplo, cuando
una proteína llevando una señal se une a un receptor que atraviesa la membrana
celular, puede modificarse la conformación de la extremidad opuesta del
receptor. Estos cambios deforman a su vez proteínas adyacentes y provocan una cascada
de reestructuraciones moleculares al interior de esta célula. Pues, es así que
las células detectan y reaccionan a las informaciones que les llegan.
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Entonces, de las moléculas a los huesos,
músculos y tendones, la tensegridad es el sistema de construcción privilegiado
de la naturaleza. Solo la tensegridad puede explicar como, cada vez que mueve su
brazo, su piel se estira, su matriz extracelular se extiende, sus células se
deforman y como las moléculas interconectadas que forman el armazón interno de
las células sienten esta solicitación, el todo sin discontinuidad.
La tensegridad también puede explicar
como todos estos fenómenos están tan perfectamente coordinados en un ser vivo.
En la John Hopkins
School of Medicine, Donald S. Coffey y Kenneth J. Pienta descubrieron que las
estructuras con tensegridad funcionan como osciladores harmónicos acoplados. El
DNA, los núcleos, los filamentos del citoesqueleto, los canales iónicos de la
membrana, así que las células en su conjunto y los tejidos vibran según
frecuencias de resonancia característicos. La repartición de las fuerzas en la
red de tensegridad acopla los elementos del sistema y los “afina”
mecánicamente, como si solo hubiera un elemento único.
Implicaciones
para la evolución
Si las vibraciones en el DNA generan
diversidad biológica, los genes son un producto de la evolución, y no la causa
que la dirige. Realmente, formas geodésicas similares a las observadas en los
virus, enzimas y células, ya existían en el mundo inorgánico de los cristales y
minerales, mucho antes de que existiera el DNA. Incluso las moléculas de agua
tienen una estructura geodésica.
¿Cómo pueden haber evolucionado unos
constituyentes inorgánicos en moléculas orgánicas y células? Buena pregunta. Al
final, considerando la manera de manifestar nuevas propiedades, el auto-ensamblaje
de las moléculas en orgánulos o de las células en tejidos no es muy diferente
de la organización de átomos en compuesto. Por ejemplo, el sodio -un metal
explosivo- y el cloro –un gas tóxico- se combinan para dar el cloruro de sodio,
cuya propiedad inesperada es de servir como sal de mesa. El principio que
importa aquí es la manera de formar y asegurar la cohesión de los elementos de
una estructura en las tres dimensiones; esta característica rige el
comportamiento de la estructura en su globalidad.
Cualquier materia está sometida a las mismas fuerzas espaciales, a pesar de la escala o de la posición. Dadas estas fuerzas, la tensegridad constituye entonces el principio de construcción más económico y más eficaz a escala molecular, macroscópica y a cualquier escala intermedia. Puede ser que las estructuras con tensegridad integralmente trianguladas hayan sido seleccionadas en el transcurso de la evolución por su eficacidad estructural, juntando alta resistencia mecánica y economía de materiales. La flexibilidad de las estructuras con tensegridad pretensadas es sin duda ventajosa ya que permite tomar varias formas. Por ejemplo, si una molécula o una célula fuera capacitada para transformarse en una forma más estable a una temperatura o una presión dada, o con un metabolismo más eficiente, entonces aumentaría su tiempo de vida. Tendría así mayor capacidad de interacción con otras entidades similares y, pues, de auto-ensamblarse otra vez.
Los investigadores ya están convencidos
de que la evolución biológica empezó en las capas de arcilla antes que en el
mar primordial. Es interesante constatar que la arcilla es una red porosa de
átomos dispuestos según las reglas geodésicas dentro de formas octaédricas y
tetraédricas. Como estos octaedros y tetraedros no están fuertemente
compactados, pueden moverse y deslizarse uno en relación con el otro. Esta
maleabilidad, parece permitir a la arcilla de catalizar muchas reacciones
químicas, particularmente las que podrían haber producido los primeros
elementos de construcción de la vida orgánica.
Con el tiempo, variados conjuntos
moleculares se auto-ensamblaron para formar las primeras estructuras con
función específica –los precursores de los orgánulos actuales- que se
combinaron para crear las primeras células simples. Estas células produjeron
proteínas que se auto-organizaron formando un suporte de anclaje para la matriz
extracelular que permitió que se juntaran en tejidos pluricelulares. Órganos se
desarrollaron por auto-ensamblaje de tejidos y organismos complejos aparecieron
por combinación y remodelación progresiva de los varios órganos. El desarrollo
de un embrión a partir de un espermatozoide y un óvulo reasume todas estas
etapas de auto-organización.
La aparición del DNA y de los genes dio
luz a un nuevo mecanismo generador de diversidad estructural que aceleró la
evolución. Durante todo este tiempo, las reglas que definían el proceso de
auto-organización jerárquica quedaron prácticamente las mismas. Así que no es
extraño que la disposición general de huesos y músculos sea increíblemente
cercana en Tyrannosaurus rex y en Homo sapiens; que animales, insectos y
plantas, deban a la pretensión la estabilidad mecánica de sus cuerpos y que
formas geodésicas como hexágonos, pentágonos y espirales predominen en los
sistemas naturales.
¿Son estos principios de construcción
universales? ¿Se aplican a estructuras modeladas por fuerzas de escala
extremamente grande o pequeña? No lo sabemos. Pero K. Snelson ha propuesto un
intrigante modelo de átomos basado en la tensegridad y que es la continuación
de el que propuso Louis De Broglie, físico francés, en 1923. El mismo Fuller fue
hasta imaginarse el sistema solar como una estructura compuesta por muchos
anillos indeformables -de movimiento planetario- estabilizándose por una
tracción gravitacional continua. El hecho que nuestro universo en expansión
(tensión) contenga gigantescos cúmulos de galaxias unidas por fuerzas
gravitacionales y agujeros negros aislados donde se focalizan, localmente,
enormes fuerzas de compresión es asombroso. Finalmente, puede que haya en la
naturaleza un único tema director. Como lo sugería a principios del siglo XX el
zoólogo escocés D’Arcy Thompson, refiriéndose a Galileo que a su vez citaba
Platón: ¿Puede que el Gran Libro de
The Author
DONALD E. INGBER, who holds B.A.,
M.A., M.Phil., M.D. and Ph.D. degrees from
Yale University, is an associate professor
of
pathology at Harvard Medical School and
a research associate in the departments of
surgery and pathology at Children’s
Hospital
in Boston. He is also a member of the
Center for Bioengineering at the
Massachusetts
Institute of Technology. In addition
to his work on cell structure, Ingber has
contributed to the study of tumor
angiogenesis,
including the discovery of an anticancer
drug now in clinical trials. He is the
founder of Molecular Geodesics, Inc., a
Cambridge, Mass., company that creates
advanced materials with biologically
inspired
properties.
Further Reading
On Growth and Form.
Revised edition. D’Arcy W. Thompson. Cambridge University
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Movement and
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Clay Minerals and
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E. Ingber in Annual Review of
Physiology, Vol.
59, pages 575–599; 1997.
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