quimiotaxis

El arroyo Issaquah, en el estado de Washington, se convierte cada otoño en una sala de partos para miles de salmones. Los peces llegan, desovan y mueren, y el agua se lleva sus rastros moleculares: fragmentos de ADN, ARN de vida corta, marcas químicas sobre el texto genético.

Un mensajero con un paquete entra en un bosque espeso de cuerdas entrelazadas. Debe entregar la carga en el interior, pero por el camino va perdiendo fuerzas y cada paso le cuesta más. Así es una enzima que destruye un gel denso de moléculas biológicas. Hasta hace poco, nadie podía ver al mismo tiempo cómo se mueve el mensajero y cómo se aclara el bosque.

La orquesta empieza a tocar, pero cada músico lleva su propio tempo. Si todos tocan más o menos a la misma velocidad, la música fluye como una corriente continua. Pero si un grupo de instrumentos toca notablemente más lento que el resto, el sonido se agrupa en una masa compacta que avanza lentamente.

Un gusano de un milímetro se come átomos marcados y entonces empieza el baile. Cada átomo de carbono y de nitrógeno que entra en el cuerpo ocupa su lugar en las células: forma parte de las proteínas, las grasas, el ADN.

El hígado es una orquesta en la que cada célula toca su parte siguiendo una partitura común. En machos y hembras las partituras son distintas: en los primeros suenan más fuerte los genes que se encargan de neutralizar sustancias extrañas y hormonas esteroideas; en las segundas, los genes del metabolismo de las grasas y de los ácidos biliares.

Una gota de aceite en agua es como una pelota en medio de una multitud. Si la multitud es escasa, las pelotas se mueven con libertad. Pero si hay mucha gente, cada uno queda apretado por los vecinos y toda la masa se comporta como un solo cuerpo. Así funciona más o menos una emulsión: una mezcla donde las gotas de aceite flotan en agua o viceversa.

En una cámara delgada de vidrio con agua hierve la vida: millones de bacterias diminutas Thiovulum sp. ST, recién aisladas de una fuente natural, comienzan a moverse como un organismo único.

El epitelio recubre nuestros órganos como las baldosas recubren el suelo. En reposo, las células se aferran unas a otras y el tejido es elástico. Pero durante el desarrollo del embrión, la cicatrización de una herida o el crecimiento de un tumor, esta capa comienza a fluir como miel espesa. ¿Qué es lo que desencadena ese ablandamiento?

El agua caliente a veces se congela más rápido que la fría. Del agua hirviendo se forma hielo antes. Esta paradoja, descubierta por el estudiante Erasto Mpemba, inquietó durante mucho tiempo a los físicos. Resultó que cuanto más lejos está un sistema del equilibrio, más rápido lo alcanza. El efecto Mpemba sigue siendo controvertido: hay demasiadas variables y es difícil de reproducir.

Una batidora de cocina funciona a una sola velocidad, pero si empiezas a pulsar el botón a tirones, la mezcla se bate de otra manera. Algo parecido ocurre con las reacciones químicas cuando la velocidad de sus etapas individuales no es constante, sino que pulsa en el tiempo.

Preparar un plato complejo exige una receta clara: primero cortar, luego sofreír, añadir las especias en el momento justo. Las transformaciones químicas también siguen recetas paso a paso, mecanismos donde los átomos de carbono e hidrógeno se reorganizan en un orden estricto.

Una colonia de células se asemeja a un destacamento que abre camino por terreno desconocido. En el tejido vivo, este papel suele desempeñarlo la quimiotaxis: el movimiento a lo largo del gradiente de una sustancia química que las propias células secretan. Antes, los modelos describían grupos homogéneos, pero en la realidad interactúan distintos tipos de células.

Olvídese de la lámina plana: el tejido embrionario es un paisaje dinámico con colinas y pliegues. En las convexidades, las células se estiran; en las concavidades, se comprimen, como si ejecutaran una danza regida por leyes sorprendentemente similares a la curvatura del espacio-tiempo.

En las aguas costeras poco profundas, donde el agua va y viene, la vida sigue el ritmo del sol. La película marrón en la superficie del lodo no es simple suciedad, sino una densa comunidad de diminutas diatomeas.

Una capa viva de células se asemeja a una multitud en una escalera mecánica. En estado de calma, todos se mueven con fluidez, pero en cuanto surge un apretón, el movimiento se detiene. Así, las capas celulares bajo carga pueden endurecerse repentinamente, transformándose de una masa maleable en un armazón elástico.

Una sábana bien tensa reposa sobre la mesa durante varios días. En apariencia está inmóvil, pero en las fibras de la tela se conserva la tensión: basta con aflojar un poco un extremo y las arrugas correrán, reordenando todo el patrón. De manera muy similar se comporta una capa de células epiteliales en estado de reposo.

La célula se arrastra sobre un gel, a veces viscoso, a veces elástico, y decide por sí misma cuándo acelerar. No se limita a deslizarse: su motor químico interno (el ruido en la expresión génica puede influir en la producción de "combustible") empuja el borde frontal, mientras que la cola se despega del soporte.

En el agua dulce de los lagos, las cianobacterias Microcystis a menudo causan floraciones tóxicas. Se agrupan en colonias: esferas elásticas, similares a una gelatina densa. Las células están pegadas por una sustancia especial a base de carbono, que actúa como un potente pegamento natural.

Si esparces semillas al azar, los brotes se enredan en un caos. Pero si las colocas en hileras uniformes, el campo crece de manera ordenada. Un principio similar funciona con las bacterias.

Una gota de agua sobre una mesa normalmente permanece inmóvil. Pero si la mesa es un poco más blanda en un borde y más rígida en el otro, la gota se desliza hacia la zona rígida. Este fenómeno se llama durotaxis: el líquido elige por sí mismo hacia dónde fluir, sin bombas ni electricidad. Este truco es posible porque la superficie bajo la gota no es uniforme.

Una ciudad donde las calles no son rectas, sino sinuosas, con callejones sin salida y pasadizos ocultos. Un mensajero en bicicleta tardará mucho más en entregar un paquete que en una ciudad con una cuadrícula regular de calles. Así ocurre con las moléculas dentro del tejido vivo: su recorrido depende de lo 'enmarañada' que esté la estructura del tejido.

Las levaduras están atrapadas en un gel transparente, como pasas en una gelatina. No se mueven por sí solas, pero pronto empiezan a ascender. El secreto está en su propia «gaseosa». Durante la fermentación, las levaduras liberan dióxido de carbono. En un medio denso, el gas no se escapa, sino que se acumula hasta formar burbujas.

Dentro de la célula hay diminutas gotas líquidas, como gotitas de aceite en el agua. Se forman a partir de proteínas y ARN y sirven para diversas funciones: desde almacenar moléculas hasta acelerar reacciones. Pero si las gotas comienzan a fusionarse entre sí, se formaría un gran charco, y eso rompería toda la organización celular.

La ameba gira a la izquierda. Durante mucho tiempo se consideró el resultado de una cadena rígida de causas, como en un dominó. Pero en el fundamento de la materia hay un margen para la libertad. El modelo «Agent Choice via Quantum Flux» muestra que a cada decisión le corresponde no una, sino múltiples historias cuánticas.

Una colonia de células se parece a una ciudad que crece desde las afueras: las casas nuevas aparecen donde hay más espacio. Dentro hay hacinamiento y la construcción se detiene. Así, las células se dividen con más frecuencia en el borde, donde los vecinos las comprimen menos. Los científicos modelaron esto sin órdenes químicas, solo con mecánica.

Cuando en una gota de agua se reúnen muchas bacterias (compuestas principalmente de carbono), comienza una danza sincrónica: millones de diminutos seres se deslizan en elipses gigantes, como bailarines en una pista. Así, sin un líder, de movimientos simples surge un patrón complejo.

En una fina película de agua, atrapada entre dos vidrios, viven bacterias. El oxígeno les llega solo a través de una de las paredes, como el aire entra a una habitación por una única ventana. Cuando hay pocas bacterias, no le prestan atención: una parte se adhiere a una pared, otra a la otra, y el panorama resulta simétrico.

La diminuta alga verde Chlamydomonas pasa su vida remando con sus dos flagelos hacia la luz, como un nadador hacia la orilla. Percibe la luz mediante una proteína fotorreceptora, y detrás de ella tiene una pequeña mancha roja, el 'ojo', que proyecta una sombra y ayuda a saber de dónde viene la luz.

Los polímeros son largos filamentos de átomos de carbono e hidrógeno. En las células vivas, se encuentran con flujos de señales químicas que pulsan como el oleaje. Las cadenas largas y los anillos cerrados se comportan como hábiles surfistas: atrapan la ola y se deslizan con ella.

Las comunidades microbianas se parecen a una orquesta ruidosa: miles de instrumentos y no se sabe quién lleva la melodía principal. En el intestino, el océano o el suelo viven millones de especies de bacterias, y los científicos necesitan averiguar cuáles son realmente importantes para la salud humana o la fertilidad de la tierra.

Antes, los modelos generativos para el descubrimiento de fármacos funcionaban como un artista que pinta sin elegir el lienzo. Se entrenaban con moléculas existentes y simplemente generaban otras similares, sin considerar cómo está organizado el propio espacio de compuestos posibles.

Cuando te cortas un dedo, las células de la piel comienzan a trabajar en conjunto: unas se dividen, otras se arrastran hacia la herida, y otras se quedan quietas. Pero cómo decide exactamente una célula qué hacer a continuación depende de su 'agenda' interna: el ciclo celular.

Una bacteria en una gota de agua busca comida. A su alrededor hay un gradiente químico: hay más moléculas de alimento en un lado y menos en el otro. ¿Cómo moverse para llegar más rápido al lugar nutritivo? Se puede corregir el rumbo suavemente, como un ciclista que esquiva un charco.

Cuando un rayo de sol cae sobre una hoja, dentro de ella comienza una carrera de relevos. La energía de la luz pasa de una molécula de clorofila a otra hasta llegar al centro de reacción, el lugar donde se pone en marcha la química de la vida. Esta carrera se desarrolla con una precisión asombrosa: casi cada cuanto de luz encuentra su camino.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa por sí sola. Pero si la tinta estuviera compuesta de pequeños motores, no solo se dispersaría: se arrastraría, empujaría y se agruparía en bancos. Estas partículas que se mueven por sí mismas se denominan activas. A partir de ellas se pueden ensamblar moléculas, como cuentas en un brazalete.

El tumor no se queda quieto. De él se desprenden células individuales o grupos enteros que se lanzan a un viaje por el cuerpo. Unas se arrastran en solitario, como exploradores; otras se mantienen juntas, como una bandada. Los científicos han construido un modelo computacional para entender cómo estas células eligen su dirección.

Cuando el embrión crece, sus células no solo se dividen: están en constante contacto con sus vecinas, como las personas en un autobús lleno. De la fuerza de esos contactos depende hacia dónde se mueve una célula y qué forma adquiere el tejido. Los científicos han estudiado cómo cambia la 'pegajosidad' de las células en las etapas más tempranas del desarrollo.

Un nadador en una piscina llena de jarabe no se mueve igual que en agua clara: cada brazada cuesta más, pero también se puede empujar con más fuerza. Algo parecido hacen los organismos unicelulares, unos diminutos nadadores que se abren paso a través del líquido con sus flagelos.

Una epidemia se parece a un incendio forestal: el fuego corre hacia donde hay más ramas secas. Del mismo modo, un virus se propaga más rápido donde la gente vive más apiñada. Pero los viejos modelos matemáticos describían el contagio como una mancha de tinta que se extiende uniformemente sobre el papel.

En el fango del fondo de un estanque viven bacterias que llevan en su interior diminutas agujas magnéticas. Estas agujas son cadenas de cristales de magnetita y ayudan a las bacterias a nadar a lo largo del campo magnético terrestre, como la aguja de una brújula, en busca de mejores condiciones.