diciembre 7, 2021

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Aquí está el gusano Blob y su gemelo computarizado

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En la naturaleza, una gota de gusano se parece a cualquier otra bola de barro que cuelga en el fondo de un lago. Pero si pinchas una sencilla gota de gusano, responderá de una manera que una bola de barro nunca lo haría, retorciéndose en forma de fideos que un pastafari podría confundir con algo divino.

Así descubrió Saad Bhamla su primera gota de gusano, en un lago de California. “Cuando lo pinchas con un palo, cobra vida”, dijo Bhamla, bioingeniero de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular del Instituto de Tecnología de Georgia. El encuentro del Dr. Bhamla con la burbuja del gusano lo persiguió durante años (en el buen sentido, dice) hasta que comenzó su propio laboratorio y necesitaba un primer proyecto.

Los gusanos negros de California, hilos suaves y delgados tan surrealmente rojos como la carne de los supermercados, a menudo viven en piscinas de temporada. Cuando los tiempos son buenos, un gusano es simplemente un gusano que se mueve por sí solo. Cuando los tiempos son difíciles, un gusano debe convertirse en una mancha, enredada con cientos o miles de otros gusanos en una bola gomosa y retorcida. Y, como una bola de lana animada, la burbuja del gusano puede moverse como una unidad, alejándose de los depredadores o del estrés.

“Permanecen retorcidos y retorcidos en esta unidad cohesiva que se está extendiendo”, dijo Chantal Nguyen, física postdoctoral asociada en el Instituto BioFrontiers de la Universidad de Colorado Boulder.

Pero, ¿cómo alcanza un gusano y mantiene la burbuja? En un estudio reciente en la revista Fronteras en la física, un grupo de investigadores que incluía al Dr. Nguyen y al Dr. Bhamla descubrió los secretos de la capacidad de movimiento de la burbuja. Lo hicieron mediante la creación de un modelo informático de gusanos negros de California enredados.

“Fue horrible e impactante, pero también hermoso”, dijo Albert Kao, un becario postdoctoral que estudia el comportamiento colectivo en el Instituto Santa Fe en Nuevo México sobre las ampollas de los gusanos. La simulación, agregó, “abre el camino a nuevos tipos de modelos para sistemas entrelazados de manera similar”.

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Desde tiempos inmemoriales, la gente ha sido testigo de grupos de animales que se mueven colectivamente y al unísono: bandada de estorninos, banco de peces, enjambre de mosquitosy cabezas de heavy metal mosh. Pero pocas personas tuvieron el privilegio o el interés de observar burbujas de gusanos.

Una burbuja de gusano se comporta como un sólido y un fluido, como una bola de masa o una bola de champú. Solo se necesitan unos 10 gusanos para formar una mancha coherente. Una gota de unos 100.000 gusanos se asemeja a un trozo de masa de pizza (rojo). No existe un límite conocido para la cantidad de gusanos que pueden formar una burbuja, excepto quizás su imaginación.

Cuando Serena Ding, investigadora del Instituto Max Planck de Comportamiento Animal, vio por primera vez una imagen de manchas de gusanos negros, su mente se aceleró. “Al principio me sorprendió”, dijo el Dr. Ding, que no participó en el artículo. “Y luego me disgustó y me fascinó”.

El Dr. Ding, que estudia las ampollas en el nematodo Caenorhabditis elegans, muy estudiado, describió sus ampollas de C. elegans como “fuertemente superpuestas, como un plato de fideos espaguetis”. Las ampollas de gusanos negros “son más como espaguetis tirados al suelo”, dijo, frunciendo el ceño, en una llamada de Zoom. “C. elegans se llama así por ser elegante. Esos son simplemente … no. “

Pero fue precisamente este borrón confuso de burbujas negras de gusano lo que capturó el corazón del Dr. Bhamla. Para él, las burbujas parecen masa de pizza fluyendo entre sus dedos. “Pero está hecho de gusanos”, dijo. “Como una pesadilla hecha realidad”.

En febrero, el Dr. Bhamla y un grupo de investigadores describieron la dinámica de las ampollas de gusanos en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Para este artículo, Yasemin Ozkan-Aydin, quien ahora es ingeniero en robótica en la Universidad de Notre Dame, realizó los experimentos. Cuando el Dr. Ozkan-Aydin sacó a los gusanos del agua, se metieron en misiones individuales para volver con él. Si no podían encontrar agua, burbujeaban, una maraña que les permitía sobrevivir fuera del agua 10 veces más que los gusanos individuales.

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“La razón por la que se reúnen no es por la bondad de sus corazones, sino por utilizar al resto de las personas para protegerse contra la desecación”, dijo Simon Garnier, biólogo del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey que no participó en el investigar.

El Dr. Ozkan-Aydin también descubrió que las ampollas del gusano se alejaban colectivamente de los factores estresantes como la luz y el calor. Una burbuja de gusano en un plato caliente se moverá hacia una sección más fría, y una burbuja de gusano bajo un reflector se moverá como una burbuja. Pero si la placa se calienta a unos 100 grados Fahrenheit, demasiado caliente para que sobrevivan los gusanos, la burbuja se rompe rápidamente. En cantidades más pequeñas, la burbuja se impulsa dividiendo el trabajo, con gusanos extendiéndose y tirando hacia adelante y gusanos curvándose y balanceándose en la espalda, reduciendo la fricción. Las burbujas de gusano más grandes, que son más difíciles de visualizar debido a la densidad de sus componentes, pueden moverse de formas más complejas.

Orit Peleg, física de la Universidad de Colorado y autora del nuevo artículo en Frontiers in Physics, vio por primera vez las burbujas en una visita a Georgia Tech. Las burbujas le recordaron a la Dra. Peleg los polímeros biológicos con los que había trabajado, como el ADN, excepto que las burbujas eran visibles a simple vista y estaban hechas de gusanos. Cuando el Dr. Peleg le mostró al Dr. Nguyen un video de una ampolla de gusano resolviendo un laberinto, el Dr. Nguyen ya no necesitaba ser persuadido para que trabajara con los gusanos.

El Dr. Nguyen diseñó un modelo simulado de gusanos negros individuales y con manchas, que involucraba pequeñas manchas de 20 gusanos idénticos. Cada gusano estaba representado por una serie de cuentas enhebradas, capaces de doblarse y estirarse como un gusano real. El Dr. Nguyen introdujo una fuerza de sujeción en el modelo que alentó a los gusanos del modelo a engancharse en una burbuja bidimensional.

“No es lo que está haciendo el gusano real, pero todavía reproduce visual y cuantitativamente los comportamientos de la mancha”, dijo Kao de Nguyen y sus colegas.

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En los primeros prototipos del modelo, los gusanos simulados no cooperaron, ya fuera desenredarse de la burbuja o agacharse en un lugar. La Dra. Nguyen modificó la viscosidad de los gusanos y la fuerza de su propulsión individual hasta que encontró un lugar ideal donde la burbuja del gusano finalmente podría moverse como una sola.

El modelo nos muestra que “no hay una división tajante” entre materiales vivos y no vivos, dijo Peleg, y agregó que los investigadores esperan que el modelo pueda inspirar robots enredados hechos de materiales flexibles.

Los investigadores planean expandir su modelo a tres dimensiones para obtener más información sobre cómo los gusanos se enredan, retuercen y trenzan. El Dr. Garnier sugirió que esta expansión podría responder a una de sus preguntas candentes sobre la burbuja: dónde dentro de la burbuja le gustaría más estar un gusano.

El mejor lugar, reflexionó, podría estar lo suficientemente cerca de la superficie para agarrar recursos, pero lo suficientemente profundo como para que el gusano no sea la primera línea de defensa. “Los sistemas colectivos tienen que lidiar con estas compensaciones”, dijo. “Cuando somos demasiados, no hay suficiente pastel para todos, las cosas empiezan a ponerse feas”.

Afortunadamente, el laboratorio del Dr. Bhamla tiene decenas de millones de gusanos que están listos para formar gotas. La pandemia del coronavirus y la sequía han convertido a los gusanos en un producto candente, por lo que el laboratorio del Dr. Bhamla cultiva el suyo. A los pocos días, descubre una cadena de gusanos retorcidos trepando por la pared en un intento de fuga.

Por la mañana, cuando los investigadores encienden las luces del techo, todos los gusanos giratorios se agrupan en burbujas hasta que se ajustan a la luz y se relajan. “Yo estaba como, ‘¿Qué fiesta se estaba celebrando allí cuando estaba oscuro y hacía frío?’”, Dijo Bhamla. “No es difícil enamorarse de ellos”.

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