Muchos movimientos de cilios

Los cilios son pequeñas estructuras similares a cabellos que se encuentran en las células de todo nuestro cuerpo y que realizan una variedad de funciones, incluida la limpieza de las vías respiratorias, la circulación del líquido cefalorraquídeo en el cerebro y el transporte de óvulos a las trompas de Falopio. Si bien los investigadores comprenden su función, no entienden completamente cómo generar los movimientos especializados para realizar esas funciones.

Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, dirigido por Lewis Woodhams, profesor titular, y Philip F. Bailey, Profesor Distinguido Lee Hunter y Presidente del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales. Un nuevo modelo matemático de cilios pulsantes debido a una inestabilidad mecánica llamada «aleteo» que surge bajo fuerzas constantes generadas por la proteína motora dineína. La inestabilidad del aleteo a nivel microscópico es similar al aleteo aerodinámico en sistemas más grandes, lo que resulta en el conocido colapso del puente Tacoma Narrows, y también ocurre en las alas de los aviones y en las palas de las turbinas.

Los resultados de la búsqueda aparecieron en la portada de la edición de agosto de Revista de interfaz de la Royal Society.

Los cilios pulsan de diferentes maneras: la piel de la cola del espermatozoide empuja el líquido de forma simétrica, mientras que otros tipos de cilios tiran de forma asimétrica, de forma similar al movimiento de la braza. Otros, como los cilios del ganglio embrionario, se mueven en forma circular o de vórtice.

«Hicimos un modelo de elementos finitos personalizado que nos permite explorar de manera eficiente el espacio de parámetros del modelo y nos brinda una imagen del comportamiento del sistema», dijo Woodhams, primer autor del artículo de investigación. «Este modelo se puede utilizar para explicar las formas simétricas, asimétricas y tridimensionales de los cilios».

El equipo construyó un modelo con seis filamentos en el exterior y uno en el interior que era una aproximación a la estructura del axón flagelar, el haz de microtúbulos que forman el núcleo central de los cilios. Debido a que muchas estructuras de proteínas axónicas son demasiado pequeñas para medir sus propiedades directamente, el modelo matemático les permitió explorar cómo el acoplamiento entre hebras individuales afecta la forma y la frecuencia de multiplicación.

«Usando este modelo, podemos experimentar con diferentes cantidades de fuerza de dineína y diferente rigidez de estructuras internasdijo Woodhams. «Intentar simular un sistema con software comercial puede llevar horas para resolver un solo sistema. Con este enfoque, podemos resolver miles de puntos de parámetros y obtener una instantánea del comportamiento del sistema en muchos puntos diferentes».

El laboratorio de Bailey trabaja con cilios como modelo para estudiar la vibración, el movimiento ondulatorio y la inestabilidad en sistemas mecánicos y biomédicos. La nueva investigación se basa en trabajos anteriores al permitir un análisis eficiente de valores propios, que caracteriza la frecuencia y la forma de la multiplicación, en un modelo multifilamento del eje que utiliza matrices de elementos finitos derivadas a medida. El modelo incluye una nueva representación matemática de la proteína motora dineína que equilibra las fuerzas internas y los momentos al igual que la deformación axonal.

«El modelo de Louie es una gran contribución a este campo. Demuestra de manera clara y rigurosa que la inestabilidad del aleteo mecánico puede ser la base cilios Batear: uno de los fenómenos biofísicos más generalizados e importantes de la naturaleza”, dijo Bailey.