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Cultiva un tomate en una caja cuadrada y obtendrás un tomate cuadrado. Es un experimento que muestra claramente cómo el confinamiento puede influir en la evolución de la forma de un cuerpo.
Hoy, investigadores del MIT y la Universidad de Yale han desarrollado un marco teórico para explicar los mecanismos de cómo los cuerpos en crecimiento responden al confinamiento. Para probar su teoría, un equipo de investigación dirigido por Tal Cohen, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en el MIT e ingeniería mecánica, cultivó bacterias del cólera dentro de un gel blando, observando la arquitectura de las biopelículas bacterianas expandiéndose a una resolución unicelular a medida que crecen. 10,000 veces más grande.
Según la teoría, las biopelículas adoptan vías de crecimiento que optimizan su forma en respuesta a la contención y el daño del gel circundante, ya que se deforma para contener la biopelícula, según el estudio publicado en el JRevista de Mecánica y Física de Sólidos.
El estudio de los problemas de inclusión fue revolucionado en la década de 1950 por el científico británico John Eshelby, pero el trabajo de Cohen y sus colegas es un importante paso adelante, dice Pradeep Sharma, profesor de ingeniería mecánica del MD Anderson en la Universidad de Houston.
“Una de las principales limitaciones del trabajo de Eshelby es que se limita a materiales que solo se deforman ligeramente. Sin embargo, habitualmente nos encontramos con contextos en los que las deformidades apenas son «leves» «, dice Sharma, que no formó parte del estudio MIT-Yale. “Cohen y sus colegas resolvieron ingeniosamente el problema de inclusión de Eshelby para grandes deformaciones. Los problemas de inclusión en materia blanda como geles, elastómeros utilizados en robótica blanda, membranas biológicas, la forma en que las células interactúan en los tejidos ahora son accesibles gracias al artículo de Cohen.
A los investigadores les gustaría saber más sobre cómo crecen las biopelículas, ya que pueden contribuir a la resistencia a los antibióticos y al ensuciamiento mecánico de los barcos y los sistemas de filtración de agua. Pero los hallazgos de Cohen y sus colegas también se aplican a una variedad de escenarios de crecimiento confinado, desde un precipitado que se forma dentro de una aleación de metal hasta un tumor que se desarrolla en el pulmón.
Esferas alisadas
Los científicos han estudiado la interacción entre el crecimiento y el estrés ambiental para cuerpos confinados o inclusiones durante 70 años. Estos estudios utilizan un marco lineal para comprender la relación: cuanto más se fuerza al cuerpo en crecimiento a sobrepasar sus límites, más cambian estos límites.
Pero el comportamiento de los materiales en el mundo real es mucho más complicado, explica Cohen. Empujados por un cuerpo en crecimiento, los límites de contención podrían resistir el desplazamiento o colapsar. La relación está en constante evolución a medida que la forma cambiante de inclusión interactúa con las respuestas cambiantes de su material envolvente. El laboratorio de Cohen se especializa en el estudio de estos efectos no lineales en materiales sólidos. La teoría de la inclusión no lineal desarrollada por los investigadores predijo diferencias significativas en las formas de inclusión en función de sus entornos de crecimiento. En el caso de las biopelículas, las bacterias formaron una esfera aplanada o «lisa» en lugar de una esfera regular cuando el material circundante era más rígido.
El sistema de biopelícula experimental fue importante para refinar su teoría, dice Cohen. «De hecho, observar estas enormes deformaciones que ocurren dentro de un material de una manera muy controlada hubiera sido muy difícil sin él».
Los experimentos y la teoría son un punto de partida, agrega Cohen. Por ejemplo, los investigadores también sienten curiosidad por saber cómo su teoría podría explicar cómo se difunden los nutrientes en un sistema de cultivo y si «eso podría explicar aún mejor el acoplamiento entre las tensiones y el crecimiento en sí», dice.
Comprender cómo se desarrollan las inclusiones, y quizás cómo y por qué dejan de crecer, o cómo causan daño en el cuerpo circundante, podría ser importante para combatir el crecimiento tumoral, sugiere. La teoría también podría aplicarse al tratamiento de metales, para controlar mejor el crecimiento y las tensiones creadas por un precipitado en el metal para crear aleaciones con diferentes características.
Un enfoque diferente del crecimiento
El ejemplo extremo de una biopelícula bacteriana que crece 10.000 veces su tamaño es fundamental para lo que está trabajando el laboratorio de Cohen. Ella y sus alumnos están interesados en lo que sucede con los materiales cuando se los lleva al límite. El empuje podría provenir de una carga extrema, una onda de choque o restricciones de crecimiento.
Sin embargo, Cohen dice que su laboratorio ve el crecimiento de una manera diferente a la mayoría. La mayoría de la gente comienza con una observación. Ven un árbol, por ejemplo, formulan hipótesis sobre su crecimiento y luego crean una teoría que replica la observación.
Más bien, Cohen y sus colegas comienzan examinando los conceptos básicos del crecimiento en sí. “Diseccionamos un sistema y tratamos de entenderlo bajo un microscopio”, dice, “y preguntamos,“ ¿Cuáles son los mecanismos básicos que generan crecimiento aquí? Y espero que podamos encontrar los principios físicos que inducen diferentes morfologías.
Luego, los investigadores preguntan cómo podría evolucionar un sistema con estos principios. Este enfoque abierto, dice Cohen, hace que sus teorías sean útiles en una variedad de problemas en biología y sistemas físicos.
Este trabajo requirió un esfuerzo en equipo para combinar herramientas analíticas, computacionales y experimentales avanzadas. Los autores principales Jian Li y Mrityunjay Kothari, ambos posdoctorados en el MIT, dirigieron los esfuerzos computacionales y analíticos, respectivamente. Los estudiantes de doctorado del MIT Chockalingam Senthilnathan, Thomas Henzel y Xuanhe Li contribuyeron al esfuerzo teórico. Los experimentos fueron realizados por Qiuting Zhang, un becario postdoctoral en la Universidad de Yale en el grupo del profesor asistente Jing Yan.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval y la Fundación Nacional de Ciencias.
