Una célula HeLa en telofase, etapa en la que los cromosomas se han separado
DR. MATTHEW DANIELS/BIBLIOTECA DE FOTOS DE CIENCIA
La física de la termodinámica, que involucra cantidades como el calor y la entropía, ofrece herramientas bien establecidas para determinar qué tan lejos del equilibrio está un sistema idealizado de partículas. Pero cuando se trata de la vida, con sus complejas células interconectadas, no está claro que nuestro conjunto actual de leyes termodinámicas sea suficiente, y una serie de experimentos con células humanas podrían ser un primer paso hacia la creación de una nueva.
La termodinámica es importante para la vida, porque estar fuera de equilibrio es una de sus propiedades clave. Pero debido a que las células están llenas de moléculas que consumen energía activamente, el estado de una célula es diferente de, digamos, un montón de cuentas flotando en un líquido. Por ejemplo, las células biológicas tienen lo que se llama un punto de ajuste, lo que significa que se comportan como si siguieran un termostato interno. Existe un mecanismo de retroalimentación que los devuelve al punto de ajuste, lo que les permite seguir funcionando. Es este tipo de comportamiento el que puede que la termodinámica clásica no capte fácilmente.
N Narinder y Elisabeth Fischer-Friedrich de la Universidad Tecnológica de Dresde (Alemania) querían obtener una comprensión detallada de cómo el desequilibrio en los sistemas vivos difiere del estado de desequilibrio en un sistema no vivo. Lo hicieron con células humanas HeLa, una línea de células cancerosas comúnmente utilizadas en investigaciones científicas que fueron tomadas sin el consentimiento de una mujer afroamericana llamada Henrietta Lacks en la década de 1950.
Primero, los investigadores utilizaron productos químicos para detener las células a mitad de la división celular, luego sondearon sus membranas externas con la punta de un microscopio de fuerza atómica, que puede interactuar con precisión con objetos de sólo una fracción de un nanómetro de ancho. Esto hizo que fuera más fácil evaluar las formas en que fluctuaba la membrana de cada célula (cuánto se movía la punta del microscopio) y cómo esas fluctuaciones cambiaban cuando los investigadores interferían con algunos de los procesos de la célula, como la interrupción de la transformación de algunas moléculas o el movimiento de ciertas proteínas.
Descubrieron que, para estas fluctuaciones, una “receta” termodinámica estándar que explicaría el comportamiento de un sistema no vivo ya no era completamente precisa. Específicamente, la idea de “temperatura efectiva” resultó imprecisa. Esta es una idea destinada a capturar algo similar a nuestra comprensión de cómo aumenta la temperatura cuando sacamos del equilibrio un sistema como una olla con agua calentándolo.
Pero los investigadores concluyeron que una cantidad más útil para captar el grado de desequilibrio de la vida es una propiedad llamada “asimetría de inversión del tiempo”. Esto explora en qué medida un proceso biológico determinado (por ejemplo, las moléculas que se conectan repetidamente para formar moléculas más grandes antes de dividirse nuevamente) diferiría si se ejecutara hacia atrás en lugar de hacia adelante en el tiempo. La presencia de asimetría de inversión del tiempo podría estar directamente relacionada con el hecho de que los procesos biológicos tienen un propósito como la supervivencia y la proliferación, dice Fischer-Friedrich.
“Sabemos en biología que hay muchos procesos que realmente dependen de que un sistema esté fuera de equilibrio, pero en realidad es importante saber hasta qué punto un sistema está fuera de equilibrio”, dice Chase Broedersz de la Vrije Universiteit Amsterdam en los Países Bajos. El nuevo estudio identifica nuevas herramientas valiosas para concretar esto, dice.
Este es un paso importante hacia la mejora de nuestra comprensión de los sistemas biológicos activos, dice Yair Shokef de la Universidad de Tel Aviv en Israel. Dice que el hecho de que el equipo haya podido medir experimentalmente no sólo la asimetría de la inversión del tiempo sino varias otras medidas de no equilibrio a la vez es novedoso y útil.
Sin embargo, es posible que debamos dar muchos más pasos si queremos comprender la vida a través de principios termodinámicos. Fischer-Friedrich dice que, en última instancia, el equipo quiere derivar algo parecido a una cuarta ley de la termodinámica que sólo sea aplicable a la materia viva donde los procesos tienen un punto establecido. Ya están trabajando en la identificación de observables fisiológicos (cosas particulares que medir en las células) donde podría comenzar a derivarse dicha ley.
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