NeoFronteras

Efecto Casimir sobre proteínas de membrana

Área: Biología,Física — martes, 16 de octubre de 2012

Las proteínas que están en las membranas celulares sufrirían la fuerza de Casimir y esto les permitiría comunicarse entre sí y estimular una respuesta frente al ambiente.

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Somos la única especie conocida capaz de hacer que el Universo se comprenda a sí mismo o, al menos, que lo pueda intentar. En esta aventura en la que materia se organiza sin parar se han formado estrellas, galaxias, nuevos elementos que no estaban presentes en el Big Bang, planetas con y sin atmósfera, sustancias orgánicas complejas, células, la célula eucariota, seres pluricelulares e incluso criaturas que sueñan con que pueden pensar.
Posiblemente estos últimos logros biológicos se han intentado alcanzar en muchos otros sitios del Universo sin conseguirse. El azar ha querido que se dieran aquí. Puede que el Universo esté poblado de vida, pero hasta ahora no tenemos absolutamente ninguna prueba de que eso sea así, sólo la fe puede sustentarlo. Lo más seguro es que si existen otras civilizaciones estén tan lejos de nosotros que nunca podremos entrar en contacto con ellos, tal y como la paradoja de Fermi indica.
Puede que incluso seamos los únicos seres medianamente inteligentes en toda la galaxia. Si esto es así entonces la responsabilidad que recae sobre nosotros es inmensa, pues no podemos delegar nuestro deber en nadie más. También puede ser la única razón por la que un dios justo, de existir, no nos elimine para siempre, ya que con nuestra estulticia hemos obtenido suficientes puntos como ganar el castigo de nuestro propio exterminio.
Nuestro deber tiene que ser conseguir conocimiento, si encima éste está salpimentado con una pizca de sabiduría mejor que mejor. Comprender el Universo y todo lo que contiene y las leyes que lo rigen hasta entender los procesos por los que la materia se organiza para dar lugar a lo que llamamos vida y consciencia puede ser la más noble de nuestras tareas. El premio es encontrar constantemente belleza por el camino.
Decía un famoso físico que puesto que él sabía Física y las reacciones químicas estaban controladas por leyes físicas entonces él sabía Química. También hay un chiste que dice que un biofísico habla de Química con los químicos y de Física con los físicos, pero que cuando se junta con otro biofísico sólo habla de mujeres. Pero ambas posturas son incorrectas.
En los últimos tiempos hemos podido ver, incluso en estas mismas páginas, que cada vez que se profundiza lo suficiente en los procesos biológicos se pueden observar fenómenos que se creía que sólo estaban restringidos a los laboratorios más sofisticados. Así por ejemplo, se ha podido ver el papel de las partes más misteriosas de la Mecánica Cuántica en el mundo biológico, como la coherencia cuántica en la fotosíntesis, o la superposición de estados en la orientación magnética en los ojos de algunos pájaros. La evolución habría seleccionado el poder alcanzar tal grado de sensibilidad a los fenómenos cuánticos porque simplemente así algunos procesos son más eficientes. Ya hay expertos que hablan de la “Biología cuántica”.
El último ejemplo de esta Biología cuántica nos llega de algunos físicos norteamericanos que sostiene que en determinados procesos de las membranas celulares está involucrada la fascinante fuerza de Casimir.
El efecto Casimir está explicado por la Teoría Cuántica de Campos. La Mecánica Cuántica no era lo suficientemente adecuada como para explicar los fenómenos relativistas y los campos de fuerza, incluso cuando se usaba la ecuación de Dirac en lugar de la ecuación de Schrödinger. Por eso, en el pasado siglo, se desarrolló la Teoría Cuántica de Campos (TCC), en lo que posiblemente fue el último fruto intelectual digno que ha dado la Física hasta ahora.
Según la TCC las partículas se pueden crear y destruir, las fuerzas producidas por los campos se pueden explicar por un intercambio de partículas (bosones) virtuales y el vacío no está realmente vacío, sino que está lleno de partículas virtuales que aparecen y desaparecen sin cesar.
Un modelo físico puede ser tan bueno como cualquier otro hasta que las pruebas físicas lo apoyen, entonces hay que tomarlo bien en serio. Hendrik B. G. Casimir y Dirk Polder propusieron en su día que si hay partículas virtuales en el vacío y disponemos dos placas metálicas paralelas entonces las presión ejercida por los fotones virtuales del espacio entre placas es menor que la que presión que ejercen los que están fuera y entonces aparece una fuerza que tiende a juntar las placas. La predicción se pudo confirmar años más tarde cuando se pudo medir la fuerza de Casimir en el laboratorio.
Ahora unos físicos de las universidades de Cornell y Michigan proponen que las proteínas que están en las membranas celulares sufren fuerza de Casimir y que esto les permite comunicarse entre sí y estimular la respuesta, por ejemplo, de la célula a los alergenos como el polen.
Según la teoría del mosaico fluido las membranas celulares están formadas por lípidos, pero en esta capa lipídica hay proteínas que están embebidas y que se mueven libremente a través de ella. Algunas de estas proteínas tienen funciones esenciales, como el de hacer de bombas de iones y así mantener el equilibrio osmótico o mantener dentro a los electrolitos adecuados y no a otros. Hay muchas otras funciones que pueden realizar y para cada una de ellas está la proteína específica. En un principio se creía que la distribución de lípidos era uniforme, pero ulteriores investigaciones demostraron que se formaban estructuras distintivas cientos de veces más grandes que las moléculas de lípidos individuales. Lo que no se entendía bien era de dónde venía la energía para mantener esas estructuras.
Sarah Veatch y sus colaboradores demostraron en 2008 que por encima de los 25 grados centígrados la membrana de células aisladas de mamífero está en una sola fase, mientras que por debajo de esa temperatura se produce una separación en dos fases distintas compuestas de diferentes lípidos y proteínas. Es decir, había un punto crítico por debajo del cual aparecían parches fluctuantes de una segunda fase que crecían en tamaño. Estas fluctuaciones medían varias micras de anchura y eran visibles con el microscopio óptico. No requerían grandes cantidades de energía (relativa) para formarse.
Veatch, Benjamin Machta y James Sethna quisieron entender el propósito de esta criticidad. Descubrieron que ciertas proteínas se veían atraídas hacia una de las fases mientras que las demás lo hacía hacia la segunda. Veatch sugiere que estas proteínas interactúantes podrían dar lugar a un fenómeno de cascada para así trasmitir señales, como información acerca de los componentes presentes en la vecindad celular, desde los receptores proteicos de la membrana hasta el interior celular. Esta información podría usarse, por ejemplo, para decidir si es un buen momento para la división celular o si es seguro moverse hacia unos nutrientes. Veatch cree que una de las razones por las que la membrana tiene esta criticidad fluctuante es para facilitar los pasos previos en el envío de señales.
Machta ha calculado las fuerzas de Casimir entre las proteínas de la membrana y ha encontrado, como esperaba, que estas fuerzas son atractivas para proteínas similares y repulsivas para las que son diferentes. Además, la energía potencial que esto proporciona es varias veces la energía térmica de las proteínas a lo largo de distancias de decenas de nanometros. Las fuerzas electrostáticas son más intensas, pero son de más corto alcance, en torno al nanometro. La razón de que esta criticidad esté tan finamente ajustada se debería a que así las células han conseguido maximizar las fuerzas de largo alcance entre proteínas.
“Es sorprendente en cuántas reacciones en las células están involucradas energías de la misma magnitud que las fluctuaciones térmicas. Creemos que esta es la manera de que tiene la célula de ser ahorradora. ¿Para qué pagar más?”, dice Sethna.
Los investigadores sospechan que la existencia de estas fuerzas de Casimir explicarían por qué las células bajas en colesterol (el colesterol es fundamental para el funcionamiento celular y no tiene que ver con el que nos detectan en sangre y que es un indicador de riesgo de arteriosclerosis) no funcionan como lo deberían de hacer, pues la retirada de este colesterol saca a la membrana fuera de su punto crítico.
Además, especulan que todo esto tendría un papel incluso en el estornudo. Cuando los receptores proteicos de una célula inmunitaria detectan un alergeno, como un grano de polen, se agregan y esto dispara las histaminas que producen el estornudo. Sethna especula que quizás el alergeno simplemente cambia la preferencia del receptor por una fase u otra de la membrana.
Este equipo de investigadores espera que el estudio sirva para obtener aplicaciones médicas, pues los defectos en las membranas pueden contribuir a la aparición de enfermedades como el cáncer o las enfermedades autoinmunes, inflamatorias, etc. “Este trabajo arroja luz sobre cómo los lípidos pueden impactar sobre ciertos aspectos de estas enfermedades. En el futuro imagino medicamentos que específicamente usen a ciertos lípidos como blancos para regular la interacción entre proteínas para así tratar enfermedades humanas”, dice Veatch. Sin embargo, pasará tiempo hasta que semejantes aplicaciones se hagan realidad.
Sethna señala que los biólogos siempre tienden a explicar cómo funcionan las células en función de un resultado de la evolución. La evolución ha podido empujar a las células hasta alcanzar el punto crítico, pero una vez ahí se pueden usar otras teorías para así poder explicar muchos comportamientos sin necesidad de recurrir reiteradamente a la evolución.
De todos modos, queda mucha investigación por hacer hasta que se acepten estas nuevas ideas. Algún experto del campo ya señala que no está claro que la membrana celular de un tejido se comporte de igual manera cuando forma parte de éste que cuando se hacen experimentos con una células estando aislada del resto. Pero si asumimos que esta teoría es cierta no podemos por menos que admirar la belleza que entraña.
Así que, amigo lector, si ahora se encuentra en la primavera austral y es alérgico al polen piense que cuando estornuda unas proteínas bailan una danza precisa ajustada por la evolución hasta el punto crítico en el que se sienten las partículas virtuales del vacío cuántico. Procesos semejantes pasan en cada célula de su cuerpo e incluso, y esto es una especulación, puede que en las neuronas de su cerebro pase algo similar y que las fluctuaciones cuánticas le permitan alcanzar una idea original, un pensamiento profundo o un sentimiento intenso.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3942

Fuentes y referencias:
Nota en PhysicsWorld.
Artículo original.
Nota en Nature sobre Biología cuántica.
Ilustración: esquema de una membrana celular, Wikimedia Commons.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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15 Comentarios

  1. NeoFronteras:

    Mientras tanto, en el hemisferio boreal, algunos nos encaminamos hacia épocas más oscuras, ahora que el otoño avanza y los intereses son tenebrosos. Esperemos que alguien consiga portar una luz que nos permita ver más allá.

  2. lluís:

    No sé si Casimir y Polder pudieron soñar con algo de todo eso que dice este fascinante artículo.Es de suponer que no porqué para hacer tales mediciones, tan precisas, se necesita una tecnología potente como la actual.
    En cuanto a mi estado de ánimo respecto a lo que comenta Neo (1), diré que soy optimisticamente pesimista.El denominado “rescate”, está al caer, y muy probablemente acabará barriendo lo poquísimo que queda, si es que queda, que me parece que todo son deudas.En cuanto a otras “ocuridades”, como por ejemplo la “oscuridad energética ligada la oscuridad climática”, tampoco son poca cosa.

  3. Juan Manuel:

    Pues, como se señala en la noticia se trata de una membrana retirada de su célula, de que tejido?. Es una membrana desarticulada del resto de la organización celular, donde ya no habría: citoplasma, citoesqueleto, ninguna clase de tráfico celular transmembranal, coordinación nuclear, etc. En todo caso el estudio revelaría una más de las propiedades de la membrana in vitro, y que bien estaría estudiar en una célula completa o tejido al que pertenezca a ver sí se mantiene el comportamiento observado (si esto fuera posible, claro). Sería bueno tambien saber si tales proteínas afines con alguna de las dos fases líquidas son todas o solo las periféricas (que requerirían menos energía para moverse al ubicarse en la superficie celular y no estar embebidas en la bicapa lipídica como las integrales).
    Por cierto 25 grados es una temperatura muy baja respecto de la temperatura promedio ideal del cuerpo humano vivo, tal vez la piel expuesta podría presentar tal temperatura en un clima no extremadamente frío.
    Como sea, el enfoque del estudio es interesante.

    Sería bueno ver como es la membrana en organismos viviendo en forma natural a menos de 25 grados.

    Aquí una información complementaria sobre el tema y una buena imagen de simulación computada de una superficie de membrana iniciando el proceso descrito en la noticia. (las pequeñas bolitas apiñadas serían la zona hidrofílica de los lípidos, los elementos grandes serían proteinas.)

    http://noticiasdelaciencia.com/not/5365/proteinas_de_la_membrana_celular_afectadas_por_fuerzas_a_gran_distancia/

  4. NeoFronteras:

    No. Son células aisladas del tejido del que forman parte, no son membranas aisladas de la célula. Se ha reescrito el texto para aclarar más este punto.

  5. Juan Manuel:

    Estimado neofronteras:
    Que oportuna aclaración, por lo tanto la investigación es muchas veces más interesante, sabido esto, podemos considerar mi comentario 1 válido solo desde la mitad de la línea 7 en adelante, donde dice:
    Sería bueno tambien saber si tales proteínas . . .

    Ahora, al hilo de su comentario 1 diría que con sus altibajos y varios miles de años hacia atrás el homo sapiens del hemisferio boreal por razón natural ha sido el mayor protagonista de la historia. Después de todo como dijo el gran poeta Jorge Manrique en aquellas recordadas coplas hace varios siglos : -cómo a nuestro parecer, cualquiera tiempo pasado fue mejor-

    Ahora habrá que trabajar mucho para que vengan tiempos mejores

    Un abrazo y muchas gracias.

  6. Juan Manuel:

    Estimado neofronteras:

    Por una confusión en mi comentario 5 donde señalo considerar mi comentario anterior en vez de 1 debe ser 3 que si es el que escribí. pido disculpas.

    Anoto algo más al hilo de lo que comenta en 1

    Tal vez sea genético o no, pero el afan por lo pomposo no termina y nos ha llevado a dilapidar sin reflexionar en reponer un poco siquiera, tal vez vuelva Diógenes el cínico con su lámpara para encontrar a los políticos y líderes que hacen falta.

    Saludos luminosos!

  7. tomás:

    “Sethna señala que los biólogos siempre tienden a explicar… La evolución ha podido empujar a las células hasta alcanzar el punto crítico, pero una vez ahí se pueden usar otras teorías… sin necesidad de recurrir reiteradamente a la evolución”.
    Las leyes de la naturaleza están fusionadas de tal modo que no se da el “hasta aquí evolución y a partir de aquí mecánica cuántica”, ya que de ello estamos tratando. El efecto Casimir, necesariamente ha de darse entre la materia y el espacio en esas distancias mínimas; por tanto en seres animados como en lo inanimado. Es decir que también ocurrirá en un mineral. En él, sus efectos le llevarán a otros cambios; en los seres vivos, necesariamente, influirá en su evolución y recíprocamente esa evolución modificará el efecto cuando ello le beneficie, por ejemplo separando o acercando proteínas.
    El resumen inicial avala mi argumento:”… sufrirían el efecto Casimir y esto les permitiría comunicarse entre sí y estimular una respuesta frente al ambiente”.

    En cuanto al comentario 1 de Neo, e intentando fortalecer la posición “optimisticamente pesimista” de “lluís”, si el rescate es sólo virtual, esperemos que sus efectos sean también virtuales y así podrán los menos afortunados seguir, al menos, virtualmente comiendo.

    Gracias al tan laborioso Juan Manuel que siempre nos obsequia con alguna útil ampliación de las noticias que Neo, con tanto acierto y dedicación, nos brinda.

    Un fuerte abrazo para cada uno desde lo mejor de mí.

  8. Miguel Ángel:

    Felicitaciones a Neo por esta interesante noticia y por la delicada obertura (por su caracter casi musical) que nos ha regalado.

    También felicitar a mi querido tomás que ha estado definitivamente magistral en su comentario al señalar un aspecto que no debería pasar desapercibido si pretendemos tener una visión profunda de los fenómenos biológicos: es cierto que muchos biólogos, microbiólogos y zoologos adolecen de desconocer casi por completo las leyes de la Física, y al desconocerlas, se limitan a intentar explicar los fenómenos atendiendo a la morfología y la funcionalidad apelando a la evolución y a la consabida selección natural.
    Pero, efectivamente, los fenómenos físicos se producen también en el mundo biológico y como podemos ver el efecto Casimir se da en la membrana celular, así como la vida obedece a la segunda ley de la termodinámica.
    Neo (y Roger Penrose también) especulan con la posibilidad de que los fenómenos cuánticos pudieran explicar el funcionamiento de las neuronas y por ende el cerebro: en este sentido podemos recordar que en el modelo de cerebro de Penrose y Hameroff se postula que en los microtúbulos de las neuronas existe un “agua vincinal” que al contrario que el agua habitual estaría bien ordenada y en la cual produciría una suerte de resonancia cuántica que explicaría la potenciación de la señal (al menos 10 elevado a 13 según Penrose).

    Quitandome el sobrero, os saludo, amigos.

  9. Miguel Ángel:

    Mejor os saludo quitándome el sombrero, no vaya a ser que acabe en una plaza de toros con mi sobrero y nos acaben poniendo unas banderillas.

  10. Alejandro Sánchez:

    Hasta no hace pocos años la biología cuántica o biocuántica era tenida como pseudociencia. Ahora que desde esta web se publicó un estudio riguroso que demuestra que el olfato es cuántico, que las aves usan las fluctuaciones cuánticas para orientarse con en conjunto con el geomagnetismo y que la fotosíntesis sigue patrones de computación cuántica, la biocuántica está emergiendo como una nueva ciencia (lo cual llevará a la Ecología Cuántica o ecocuántica)

    Estamos siendo testigos del surgimiento de un Nuevo Paradigma, cuya preparación hace tiempo se iba dando desde la Filosofía Holista, la teoría holográfica (Universo Holográfico, del recordado David Bohm) y la Ecología (Hipótesis Gaía de Lovelock) Esta preparación ya iba dando nuevas formas de pensamiento más abiertos y universales. Este Nuevo Paradigma va más allá del actual Paradigma Sistémico Emergente. No lleva ni al teísmo ni al ateismo, sino a algo distinto.

    Es realmente emocionante cuando la ciencia abre nuevos horizontes del pensamiento y la existencia humana. Gracias por la publicación.

  11. Pocosé:

    Es muy probable que la realidad sea únicamente cuántica, y que a medida que vayamos teniendo tecnología para analizar todo tipo de procesos a ese nivel, vayamos descubriendo también como esta realidad cuántica produce la ilusión fisicoclásica que percibimos, padecemos, disfrutamos, y analizamos con instrumental y métodos muy aptos y eficaces, pero totalmente fisicoclásicos.

  12. tomás:

    Muy simpática la imagen del sombrero y las banderillas en la plaza de toros, amigo Miguel Ángel.

    Querido Alejandro Sánchez, dame alguna pista sobre eso del teísmo y el ateísmo, que no puedo sospechar ese “algo distinto” como no te refieras al agnosticismo o al ignosticismo, que no me lo parece.
    Abrazos para ambos y para todo el conjunto.

  13. Juan Manuel:

    Lo que más me gusta de la noticia es la posición de los autores cuando sugieren sin afirmar que diversos aspectos funcionales podrían estar involucrados con esta criticidad (lo que demuestra su profesionalismo) y que además habrá que ir probando, luego ver si este fenómeno es una constante en todas o la mayoría de las clases de células; para un buen científico las generalizaciones vendrán después.

    Valdrá la pena revisar el trabajo previo de Sarah L. Veatch y su equipo que por cierto se hizo en vesículas, y que aquí les obsequio completito.

    http://www.bss.phy.cam.ac.uk/~pc245/Pietro-Papers/cicuta%20domain%20fluctuations%20blebs%20chemical%20biology%202008.pdf

  14. Alejandro Sánchez:

    Saludos Tomas, pásate por http://altermediaparaguay.blogia.com/temas/vivencias-desde-la-periferia.php Teísmo y ateísmo son categorías simples, por tanto ante una realidad compleja, son ilusorias. La intuición trascendete lleva a un todo unificante como experiencia mística íntima, es el “cara a cara” con lo numinoso a decir de Jung, mas la imagen antropomórfica de esa experiencia es propia, no la experiencia en sí. Dicha experiencia, históricamdente, ha extendido los límites del conocimiento y la vivencia humanas, ya Einstein, Teilard de Chardin y otros así lo indicaron.

  15. tomás:

    Amigo Alejandro Sánchez:
    Me he llegado a tus palabras y, aun cuando somos tan distintos, puedo admirar tu sensibilidad y bonhomía. Y es que los filósofos tipo Hegel que cree que la razón puede dar leyes al Universo o incluso K.ant cuando dice “Tuve que poner límites al conocimiento para dejar sitio a la fe”, no me resultan soportables. Sólo puedo admitir una filosofía científica. Sin embargo, para ti el misticismo es importante. Yo, por el contrario, busco afirmar mis pies en el suelo, lo que no excluye sentimientos como el amor o la empatía y el gusto por la belleza en cualquier manifestación que pueda percibir. Soy un buen ateo,absolutamente firme, aunque llegar a ello me costó muchos años en los cuales también leí a Teilard de Chardin, porque me formé en un colegio religioso. Allí comenzaron mis dudas y mis preguntas me acercaron mucho a la expulsión, lo que hubiese sido un gran disgusto para mis padres.
    He quedado impresionado por “La fotografía de la pesadilla” y la tremenda historia de su autor Kevin Carter. Si tuviese alguna duda, tal escena sería la prueba de un Dios inmisericorde que merecería el infierno. Tras el Pulitzer, el autor ajustó cuentas consigo mismo: su comportamiento fue imperdonable, de una indiferente crueldad que no tiene justificación.
    Como espero ganarme alguna reprimenda por mi duro juicio que para algunos será ofensivo, lo dejo.
    Gracias por el envío. Merece ser leído.

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