Los condensados de proteínas envejecen como fluidos de Maxwell (Jawerth L. et al, 2020)

Introducción

Investigadores e investigadoras del Centro de Sistemas Biológicos de Dresden y del Hyman Lab del Instituto Max Planck han caracterizado el envejecimiento de los condensados de proteínas con técnicas reológicas experimentales. El estudio [1] concluye que los condensados se comportan como vidrios de Maxwell para cualquier edad del mismo. Estos vidrios de Maxwell son un caso particular de los materiales viscoelásticos, explicados a continuación.

Los materiales viscoelásticos exhiben propiedades líquidas (viscosas) y propiedades sólidas (elásticas). La viscosidad es, grosso modo, la fricción interna entre los componentes del fluido, por lo que conlleva pérdidas de energía en forma de calor. La parte elástica se encarga de almacenar energía cuando se aplica una fuerza deformadora en el material. Una vez la fuerza desaparece, la energía elástica se encarga de reformar la estructura interna y devolverlo al estado inicial. Así, los materiales viscoelásticos no recuperan completamente su forma inicial porque parte de la energía se pierde en su propia viscosidad.

Ejemplos típicos de materiales que presentan esta física son los metales a altas temperaturas, el hielo, algunos polímeros y componentes celulares. Medir sus propiedades es relativamente fácil, al igual que en el estudio [1], consiste en someter al material a distintas deformaciones para estudiar las fuerzas internas que se producen. El modelo físico más simple que permite estudiar como se disipan las fuerzas en el tiempo cuando se aplica una cierta deformación es el modelo de Maxwell.

Modelo de Maxwell

Este modelo supone que la parte elástica y viscosa son completamente separables. Si aplicamos una deformación constante el modelo predice que la fuerza elástica actúa de manera instantánea, elevándola hasta un cierto valor constante. Después, actúa la viscosidad se encarga de disipar las fuerzas hasta que llegan a un equilibrio mecánico. En la Figura 1 representamos la predicción del modelo de Maxwell para una placa de hielo en la que se ha colocado encima una masa para simular el ejemplo anterior.

Figura 1: Predicción del modelo de Maxwell de la evolución de las fuerzas por unidad de superficie  en pascales (eje vertical) con respecto al tiempo en microsegundos (eje horizontal). Los parámetros escogidos son los correspondientes al experimento de Jellinek, H. H. G. et al., 1956 [2].

Tal y como puede verse, ocurre todo lo mencionado anteriormente. Normalmente, se define un tiempo de relajación característico de cada material como el tiempo en el que las fuerzas se disipan un 74%, aproximadamente. En el caso del hielo el tiempo de relajación calculado es 0.11 ms.

Experimento

A pesar de que el modelo de Maxwell tiene ciertas limitaciones reproduce a la perfección la reología de los condensados de proteínas para todas las edades del condensado. El estudio midió la respuesta del condensado a la difusión, coalescencia con otros condensados y mecánica al aplicarse una fuerza periódica a uno de sus extremos. A continuación se recogen los principales resultados:

  • Los condensados jóvenes presentan una difusión más rápida que los maduros, por lo que su velocidad de movimiento es mayor.
  • Los condensados jóvenes tardan menos en fusionarse con otros condensados que los maduros indicando una mayor viscosidad.
  • Al aplicar una fuerza periódica y a medida que el condensado envejece, su tiempo de relajación aumenta, implicando una menor viscosidad y mayor elasticidad.

Juntando las conclusiones del estudio encuentran un hilo conductor: los condensados jóvenes son más viscosos (líquidos) que elásticos (sólidos), mientras que los maduros son más elásticos que viscosos. Por otro lado, los sistemas que forman cristales se caracterizan porque su envejecimiento depende del tiempo de relajación y porque la solidificación lleva asociada una pérdida de la capacidad de movimiento. Estos procesos físicos han sido observados en los condensados de proteínas y modelados por el modelo de Maxwell, por lo que los autores proponen que en estos sistemas se formen los llamados vidrios de Maxwell.

Repercusiones biológicas

Los condensados de proteínas biológicos pueden tener distintas funciones a nivel celular. Por ejemplo, los gránulos P tienen la función de regular la expresión génica en algunas especies. Como se ha visto en el estudio de Jawerth L. et al. [1], los condensados de proteínas pueden ser descritos como vasos de Maxwell aunque, como la reología revela propiedades viscoelásticas esperadas de un fluido Maxwell para un solo tiempo de relajación, pero a distintas edades los tiempos de relajación varían, podemos referirnos a ellos como un vidrio Maxwell, que incorpora el envejecimiento de los fluidos y los vasos Maxwell.

En biología no se ha caracterizado bien el comportamiento similar a los vidrios. Sin embargo, este estudio [1] ofrece una nueva visión del comportamiento bioquímico y mecánico de los condensados proteicos. Estos, en situaciones de estrés, en vez de romperse (como ocurre en geles), pueden funcionar como sensores de tensión de la célula, y acoplar las tensiones a los procesos bioquímicos. Esto se puede traducir en un funcionamiento de ralentización celular en determinadas situaciones y a la vez ofrecer una respuesta rápida en situaciones cambiantes.Es necesario continuar con estudios puente entre la física (reología) y la biología, para alcanzar una mejor comprensión de los procesos mecánicos y bioquímicos de las células, estudios sobre los tiempos de relajación (relacionados con mínimos de energía en el envejecimiento de los condensados), y contextualizarlos en los ensamblajes de proteínas de orden superior, según indican los autores del estudio [1].

Bibliografía

[1] JAWERTH, Louise, et al. Protein condensates as aging Maxwell fluidsScience, 2020, vol. 370, no 6522, p. 1317-1323.

[2] JELLINEK, H. H. G.; BRILL, R. Viscoelastic properties of iceJournal of Applied Physics, 1956, vol. 27, no 10, p. 1198-1209.

Autores: Tomás Sánchez Pastor y Óscar Regina Costilla-Legaz.

Autor: Óscar Regina Costilla-Legaz

Estudiante de Biología en la Universidad Rey Juan Carlos.

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