Desvelan los principios matemáticos universales del ensamblaje de átomos y células

Esta semana un estudio publicado en « Nature Physics » ha desvelado los principios universales del auto-ensamblaje , un proceso por el cual partículas de muy distinto tamaño, desde átomos a pequeñas pelotas, se agrupan. Los investigadores han empleado pulsos de láser para crear diferencias de temperatura capaces de facilitar este ensamblaje, tanto en pequeñas partículas como en células enteras, emulando un proceso relevante en la formación de cristales u organismos pluricelulares. Pero quizás lo interesante es que conocer estos principios universales de auto-ensamblaje podrían tener muy diversas aplicaciones.

«Hasta ahora las metodologías de auto-ensamblaje no estaban unificadas, lo que quiere decir que cada material requería emplear un método concreto », ha explicado a ABC Serim Ilday , director del estudio e investigador en la Universidad Bilkent, en Ankara (Turquía). «Así que si cambiabas un material (con el que hacer este ensamblaje), hacía falta hacer una tesis doctoral para poder repetir esos resultados, puesto que todo dependía de las fuerzas o interacciones químicas de esos materiales».

Sin embargo, estos investigadores han dado con una forma de usar e l mismo método para muy diversos materiales y escalas . «Por primera vez, hemos mostrado una metodología de auto-ensamblaje que vale para qualquier material suspendido en cualquier líquido, gracias a que nuestro método depende exclusivamente de fuerzas físicas».

En concreto, los investigadores emplearon dos fuerzas. Por una parte, usaron un láser ultrarrápido capaz de crear gradientes de temperatura en un líquido. «Al igual que pasa en un motor de vapor -ha explicado Ilday- el líquido empieza a fluir desde lo caliente a lo frío. Y, a medida que lo hace, tira de cualquier partícula con la que se encuentre». Después de eso, apagaron el láser, permitiendo que comenzase a funcionar una segunda «fuerza»: los movimientos brownianos . Gracias a éstos, las partículas se mueven en todas direcciones, al azar, y se redistribuyen de forma homogénea, tengan el tamaño que tengan.

De hecho, los investigadores lograron usar un mismo método para partículas que tenían un tamaño diferente en más de cuatro órdenes de magnitud. Lo consiguieron con una partícula de tres nanómetros (nm), con bolas de poliestireno de 500 nm , con bacterias de la especie Micrococcus luteus , de 0,7 micrómetros, células de levadura de la especie Sccharomyces cerevisiae , de cinco micrómetros, y con células de glándulas mamarias humanas, que alcanzan los 15 micrómetros.

Quizás lo más interesante es que después de lograr el auto-ensamblaje de todas estas partículas, observaron que todas ellas se auto-ensamblaban de la misma forma. Es más, seguían la misma progresión matemática: una función logística , con forma de «S», que describe el comportamiento de muchos procesos naturales y temporales, curvas de aprendizaje o epidemias. En general, describe un fenómeno que empieza con unos niveles bajos al principio, se acelera incluso a tasas exponenciales y llega a una estabilización, exactamente como se puede ver en el número de casos afectados por COVID-19.

« Este patrón no es específico de una tecnología o de una epidemia », ha dicho Idley. «El mismo patrón aparece en avances científicos, evolución humana, fenómenos sociales o curvas de aprendizaje: en resumen, en virtualmente cualquier sistema dinámico adaptativo». Por tanto, el hecho de que tan divesas partículas sigan el mismo patrón al auto-ensamblarse, «es una primera evidencia de universalidad».

La segunda, tal como ha explicado Idley, es que las desviaciones de esa curva siguen la distribución de Tracy-Widom , una distribución que aparece en mercados bursátiles, tráfico, ecología o patrones sociales. Todos ellos, tal como ha apuntado el investigador, tienen en común estar dirigidos por una fuente de energía o una desigualdad en un parámetro. Esto lleva que no aparezca la distribución de la campana de Gauss , tan frecuente en fenómenos naturales, y que se puede predecir fácilmente.

En opinión de Serim Ilday, el método que han puesto a punto «es una herramienta fantástica para explorar la física de cómo sistemas dirigidos se alejan del quilibrio », como puede ser la pandemia de la COVID-19 o los ciclos de expansión/agotamiento de la tecnología. Podría facilitar entender por qué aparece la distribución de Tracy-Widom y hacer importantes predicciones.