La historia de la ciencia consta de una serie de cambios de paradigma: teorías tradicionales que han sido refutadas y reemplazadas por nuevos descubrimientos. El Laboratorio Canso para el Movimiento de Inspiración Biológica de la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC está acostumbrado a estos cambios de paradigma y ha publicado sus hallazgos en revistas líderes.
El último artículo del laboratorio, publicado en Física de la naturaleza Esta investigación, titulada «La física del flujo dirige la morfología de los órganos ciliares», proporciona una nueva comprensión de la relación entre dos mecanismos distintos de bombeo de fluidos en los organismos vivos: el modelo de «llama» y el modelo de «alfombra» de los canales ciliares.
En los seres humanos, el tejido ciliar bombea líquido hacia las vías respiratorias, los ventrículos del cerebro, el canal espinal y el sistema reproductivo. Estos cilios tienen un diseño similar a una alfombra: imagine una capa densa de fibras cortas perpendiculares a la superficie de las células epiteliales. Muchos animales también presentan canales con una disposición de los cilios sorprendentemente diferente: el diseño de llama ciliar, en el que cilios relativamente largos y muy compactos se mueven a lo largo de una luz estrecha.
Las llamas ciliares no se encuentran en organismos multicelulares grandes como los humanos, lo que lleva a comprender que estas dos formas, alfombra y llama, se diferencian mediante procesos evolutivos. Sin embargo, la profesora Eva Kansu y su equipo de investigadores, en particular los coautores Feng Ling*, estudiante de doctorado de la USC* y la investigadora Jana Noroth*, descubrieron que la distinción en realidad depende de las diferentes necesidades de infusión de líquidos.
En otras palabras, la forma sigue a la función. El equipo propone que la convergencia de los diseños de los órganos ciliares sigue limitaciones mecánicas en lugar de un camino evolutivo (evolución filogenética y relacional).
Este artículo presenta una serie de reglas de diseño universales para bombas ciliares: un modelo unificado de fluidos que sugiere una continuidad inesperada entre los dos modelos generalmente conflictivos. Dos parámetros estructurales, el diámetro del lumen y la relación entre cilios y lumen, regulan la diversidad del canal ciliar en un espectro continuo que vincula las alfombras con las llamas.
En ambos extremos del espectro, los resultados indican un caudal máximo y una generación de presión (compatible con los requisitos fisiológicos para el transporte y la filtración a granel), mientras que los diseños intermedios a lo largo del espectro morfológico forman híbridos idealmente eficientes.
Los nuevos hallazgos proporcionan mayor claridad a la hora de estudiar y tratar las principales enfermedades asociadas con la disfunción de los cilios y la acumulación de líquido, incluidas las bronquiectasias, la hidrocefalia y el embarazo ectópico. Los hallazgos también avanzan en la comprensión de cómo funcionan órganos específicos. Por ejemplo, los fuegos ciliares que bombean líquido para la excreción proporcionan un sistema modelo para estudiar la enfermedad renal humana.
A pesar de la importancia fundamental de los órganos ciliares en la fisiología animal, la relación entre la morfología del canal ciliar y su capacidad para bombear líquido ha permanecido en gran medida inexplorada, debido a la dificultad de medir los latidos de los cilios y el flujo de líquido en los canales íntimas intactos. Al abordar esta desafiante área de investigación de manera experimental y utilizar modelos matemáticos, el laboratorio de Kanso propone un nuevo enfoque innovador e intuitivo. La dualidad se reformula como un continuo, y el gran desafío en ciencia e ingeniería es un paso más simple.
*Actualmente en el Laboratorio de Mecanobiología Nawroth, Helmholtz Flagship Campus, Munich
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