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LA ARQUITECTURA DE LA VIDA


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.


Por Donald Ingber [Podéis encontrar el artículo original en la revista Scientific American de Enero 1998 y ver las ilustraciones originales que ayudan bastante la buena comprehensión de lo expuesto]

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.

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.

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 la Naturaleza esté escrito en idioma geométrico?

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 Hospitalin Boston. He is also a member of the Center for Bioengineering at the Massachusetts Institute of echnology. 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 Press, 1942 (reprinted 1992). Movement and Self-Control in Protein Assemblies. Donald L. D. Caspar in Biophysical Journal, Vol. 32, No. 1, pages 103–138; October 1980. Clay Minerals and the Origin of Life. Edited by A. Graham Cairns-Smith and Hyman Hartman. Cambridge University Press, 1986. Cellular Tensegrity: Defining New Rules of Biological Design That Govern the Cytoskeleton. Donald E. Ingber in Journal of Cell Science, Vol. 104, No. 3, pages 613–627; March 1993. Mechanotransduction across the Cell Surface and through the Cytoskeleton. Ning Wang, James P. Butler and Donald E. Ingber in Science, Vol. 260, pages 1124–1127; May 21, 1993. Geometric Control of Cell Life and Death. Christopher S. Chen, Milan Mrksich, Sui Huang, George M. Whitesides and Donald E. Ingber in Science, Vol. 276, pages 1425–1428; May 30, 1997. Tensegrity: The Architectural Basis of Cellular Mechanotransduction. Donald E. Ingber in Annual Review of Physiology, Vol. 59, pages 575–599; 1997.


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