Encuentran similitudes entre las estrellas de neutrones y el citoplasma celular

Los seres humanos podríamos estar más alineados con el universo de lo que pensamos. Según una reciente investigación, las estrellas de neutrones y el citoplasma celular tienen algo en común: ambas estructuras se asemejan a los aparcamientos de los edificios de varios pisos.

En 2014, el científico especializado en física de materia condensada de la UC Santa Barbara de EEUU, Greg Huber, y sus colaboradores exploraron la biofísica de estas estructuras (que consisten en láminas apiladas conectadas por rampas helicoidales) en un organelo celular llamado retículo endoplasmático.

El equipo las bautizó entonces como “rampas de Terasaki”, en honor a su descubridor, Mark Terasaki, un biólogo celular de la Universidad de Connecticut.

Huber pensaba que dichas estructuras eran únicas y específicas, hasta que se topó con el trabajo de un físico nuclear de la Universidad de Indiana llamado Charles Horowitz: Mediante simulaciones por ordenador, Horowitz y su equipo habían encontrado las mismas formas en la corteza de las estrellas de neutrones.

De estrellas y células

Los dos investigadores se pusieron entonces en contacto para explorar más a fondo la relación entre estos dos modelos de materia tan distintos y a la vez tan parecidos. Sus resultados han aparecidos publicados en la revista Physical Review C.

Los físicos nucleares tienen una terminología apta para todos los tipos de formas que ven en sus simulaciones de estrellas de neutrones con ordenadores de alto rendimiento: “pasta nuclear”, por la similitud de dichas formas con la pasta italiana. Esta ‘pasta’ incluye tubos (espaguetis) y láminas paralelas (lasaña) conectadas por formas helicoidales similares a las rampas de Terasaki.

Huber explica que lo mismo se puede observar en la célula: una red tubular, láminas paralelas, y láminas conectadas entre sí a través de defectos topológicos (rampas de Terasaki). “Así que los paralelismos son bastante profundos", afirma.

Sin embargo, se pueden encontrar diferencias en la física subyacente a ambas estructuras. Típicamente, la materia se caracteriza por su fase, que depende de las variables termodinámicas: densidad (o volumen), temperatura y presión. Estos factores difieren mucho entre el nivel que estudia la física nuclear y el contexto intracelular.

A pesar de las diferencias

Así, mientras que en las estrellas de neutrones la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética determinan estas estructuras, en el interior de las células lo hacen las fuerzas que unen a las membranas, que son fundamentalmente entrópicas y tienen que ver con la minimización de la energía libre total del sistema.

Otra diferencia entre ambas estructuras es la escala. En el caso nuclear, las rampas de Terasaki se basan en nucleones -tales como protones y neutrones- y estos bloques de construcción se miden usando femtómetros (unidad de longitud que equivale a una milbillónesima parte del metro).

En las membranas intracelulares, en cambio, la escala de la longitud es de nanómetros (milmillonésima parte del metro), así que la diferencia entre ambos sistemas es nada menos que de seis ceros. A pesar de todo, los dos hacen las mismas formas.

La similitud entre ambas estructuras resulta fascinante tanto para los físicos teóricos como para los físicos nucleares. Los científicos creen que supone que hay algo profundo que no entienden acerca de su modelización.

De momento, teorizan que el hecho de que haya formas similares en sistemas tan sorprendentemente diferentes apunta a que la energía de un sistema puede depender de su forma de una manera simple y universal; y creen que los resultados obtenidos señalan que habrá que estudiar aún más el tema para poder comprenderlo.

Referencia bibliográfica:

D. K. Berry, M. E. Caplan, C. J. Horowitz, Greg Huber, A. S. Schneider. Parking-garage” structures in nuclear astrophysics and cellular biophysics. Physical Review C (2016). DOI: 10.1103/PhysRevC.94.055801.