por
Incluso para un estudiante de doctorado de segundo año que estudia la mecánica de las células vivas, la influencia de las fuerzas físicas en el mundo de los seres vivos es una fuente de asombro.
“Hice mis estudios universitarios en ingeniería mecánica y, desde que comencé a interesarme por las células, me resulta fascinante verlas como ‘máquinas’ delicadas”, dice Haiqian Yang. “Las células son ‘inteligentes’ sin duda, pero creo que no pueden escapar de las leyes físicas. ¿Dónde está el límite? ¿Existen leyes fundamentales que rigen la formación de estructuras y la dinámica multicelular, al igual que estas leyes termodinámicas básicas? Estas preguntas fascinantes me motivan.
El otoño pasado, Yang tomó el curso 2.788 (Ingeniería Mecánica y Diseño de Sistemas Vivos), lo que le permitió dar un paso atrás y “aprender las piezas faltantes que completan mi imagen completa de mi campo de estudio”, dijo.
“Este curso no solo me enseñó todos los temas nuevos y emocionantes en este campo que no conocía antes”, dice Yang, “también me convenció aún más de que hay grandes oportunidades en las que potencialmente puedo hacer una diferencia. . »
Comprender la mecánica de la biología puede llevar a los investigadores en una amplia variedad de direcciones diferentes y brindar a los estudiantes nuevos en el concepto muchas oportunidades para preguntarse. Las fuerzas mecánicas intracelulares pueden afectar procesos como la metástasis del cáncer, la patología neurológica y la enfermedad vascular. Al mismo tiempo, la estructura celular y la mecánica del ala de una mariposa o la pluma de un pájaro pueden no solo explicar el color y el brillo de la criatura, sino también su supervivencia cuando se exponen al calor o la humedad. Y la geometría de las células que ayudan a renovar el intestino humano (su curvatura y ubicaciones relativas) explica gran parte de su comportamiento en el cuerpo. Tales ejemplos son innumerables.
El estudio de tales fenómenos y su modelado podría conducir a soluciones tecnológicas en campos que van desde la salud hasta los materiales de construcción.
Ming Guo, profesor de desarrollo profesional de la promoción ’54 y profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, enseña 2.788 junto con Mathias Kolle, profesor Rockwell de desarrollo profesional y profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. La experiencia de Guo es principalmente en física e ingeniería, pero mientras estudiaba para su doctorado en la Universidad de Harvard, comenzó a tomar cursos de biología celular y biofísica. De manera similar, Kolle dice: «Soy un físico capacitado de pregrado y posgrado, me convertí en científico de materiales, ingeniero mecánico y entusiasta de la biología a través de la experiencia, la exposición y las elecciones hechas por curiosidad».
En 2017, los dos profesores comenzaron a planificar el curso.
“Tuvimos esta idea”, dice Guo, “que no hay cursos que enseñen los aspectos de ingeniería de los sistemas biológicos, mientras que este campo se ha desarrollado muy rápidamente. Por lo tanto, era urgente enseñar las últimas ideas y conocimientos a los estudiantes que pudieran estar interesados en este vasto tema.
Al mismo tiempo, la investigación del Centro de Comportamiento Emergente de Sistemas Celulares Integrados de la Fundación Nacional de Ciencias, dirigida por Roger Kamm, Cecil e Ida Green, Profesor Distinguido de Ingeniería Biológica y Mecánica, había demostrado que había una necesidad de tal clase.
“La idea era que varias universidades acordaran impartir un curso, ponerlo a disposición de otras instituciones en línea, y que utilizaríamos estos cursos como un medio para desarrollar y difundir materiales didácticos sobre sistemas vivos multicelulares”, explica Kamm. «Tuvimos cierto éxito con este modelo, pero no fue hasta que Ming y Mathias entraron en escena que las cosas realmente comenzaron a funcionar. El curso que desarrollaron, con mi apoyo, realmente reunió todos los diferentes aspectos de nuestra investigación. , y lo incorporé a un curso que ellos, con la ayuda del personal de mi centro, pudieron ofrecer en tres instituciones. El curso fue, en mi opinión, un gran éxito, y el número de clases ha aumentado cada año.
“Desde el principio, Roger Kamm ha sido un firme partidario de nuestros esfuerzos educativos”, dice Kolle. «Estaba feliz de actuar como caja de resonancia cuando diseñamos el salón de clases y también está activamente involucrado en establecer el marco más amplio para el campo y la investigación en el MIT en su conferencia invitada, que da al comienzo de nuestra clase cada vez desde que comenzó en 2018.
Para los estudiantes, el curso de Ingeniería Mecánica y Diseño de Vida presenta mundos sin explotar por descubrir, debido a la relativa novedad del campo interdisciplinario.
«Ming y Mathias estaban destacando conceptos o fenómenos que realmente no se entienden bien; el punto es que si tienes curiosidad, es algo en lo que podrías pensar o mirar», dice el estudiante de doctorado de segundo año Gunnar Thompson. . estudiante de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign que tomó el curso de forma remota. «Obviamente no estaba interesado en todos los temas, pero este entusiasmo por lo nuevo o por descubrir me inspiró».
Thompson, cuya investigación involucra el uso de biomateriales conocidos como hidrogeles para estudiar el impacto de los factores físicos y químicos en las células madre sanguíneas, fue una de las dos universidades que participaron además del MIT. Los estudiantes de Georgia Tech también están tomando el curso.
Julie Shen, que está terminando su maestría en ingeniería mecánica en el MIT y se dirige a un doctorado, dice que la clase le dio una nueva perspectiva sobre los seres vivos. Shen investiga sobre dispositivos médicos para el sistema cardiovascular, pero su trabajo nunca ha sido en un laboratorio de biología. En 2788 realizó experimentos con medusas.
“No pensé que podría hacer esto con mi vida”, dice ella. «El curso realmente despertó mi curiosidad acerca de otras materias en nuestro campo. Están sucediendo muchas cosas interesantes entre la ingeniería mecánica y la biología, y ambos profesores estaban realmente entusiasmados con cada materia que enseñaban.
Las posibles aplicaciones del conocimiento obtenido del estudio de las fuerzas de ingeniería mecánica que actúan en los sistemas vivos son infinitas. Guo, refiriéndose al potencial «para usar los principios de ingeniería que aprendemos de la biología para construir nuevas máquinas biológicas para ayudar a la humanidad, mejorar nuestra calidad de vida o mejorar nuestras experiencias médicas», señala su descubrimiento favorito. Esto implica ver cómo las células regulan sus propiedades físicas durante el crecimiento y la invasión del tumor, como la observación de que las células que son más blandas y más hinchadas con líquido tienen más probabilidades de formar «puntas invasivas» que se desprenden para diseminarse a otros lugares.
«Éste ha sido mi favorito últimamente porque destaca las interacciones y regulaciones espaciales y temporales extremadamente complejas de las células individuales en el tejido en desarrollo, al tiempo que revela los principios físicos simples y bonitos que tienen una fuerte influencia en el desarrollo biológico», dice Guo. “Esto nos da la esperanza de regular los comportamientos biológicos en el futuro.
Kolle, quien señala que «la biología es realmente buena para controlar las estructuras materiales», dice que en los materiales ópticos biológicos que estudia, «el control de la estructura material no tiene paralelo en los enfoques de síntesis de materiales humanos». En general, considera que la ingeniería de tejidos para el cuerpo humano es un «gran desafío global; de hecho, probablemente mejor dicho, una miríada de desafíos diferentes». Dichos tejidos podrían «animar a nuestros cuerpos a funcionar bien donde necesitan ese estímulo, o reemplazar las partes defectuosas».
«Todavía hay mucho que no sabemos sobre la complejidad del cuerpo humano y la vida en general y cómo interactúan todas las diferentes partes cuando funcionan bien o no funcionan cuando fallan de una forma u otra».
Cuando se le preguntó acerca de su descubrimiento favorito, Kolle enumera los proyectos de investigación que están realizando sus estudiantes: los materiales de dinámica de color de Ben Miller, las ideas de Anthony McDougal sobre las formaciones de escamas de mariposa, el trabajo que Sara Nagelberg y Hannah Feldstein han realizado sobre microlentes de fluidos y el trabajo de Joseph Sandt. instalación de sensores colorimétricos de presión de neumáticos.
«Mi descubrimiento favorito en el MIT es que las mejores cosas que salen de mi laboratorio crecen en la mente de mis estudiantes», dice Kolle.
De acuerdo con todos los involucrados, la emoción y el potencial de dicha investigación se manifiestan alto y claro en 2.788.
“El curso ciertamente me ayudó a comprender mejor el estado actual de la investigación en mecánica biológica”, dice Joseph Bonavia, ingeniero mecánico sénior, “y me ayudó a apreciarlo mejor”.
