Un estudio conjunto de la Universidad de Michigan y la Universidad de Harvard muestra que el flujo de agua en las fibras musculares dicta la velocidad de contracción e introduce una «extraña elasticidad» que podría revolucionar el diseño de materiales bioinspirados y músculos artificiales.
Investigadores de la Universidad de Michigan han demostrado que el flujo de agua dentro de las fibras musculares influye en gran medida en su tasa de contracción, desafiando la comprensión tradicional de la mecánica muscular y mejorando potencialmente el diseño de músculos artificiales.
Según un estudio de la Universidad de Michigan, la velocidad a la que se contraen las fibras musculares puede determinarse por el flujo de agua en su interior.
Casi todos los animales utilizan músculos para moverse y se sabe desde hace mucho tiempo que los músculos, como todas las demás células, están compuestos en un 70% por agua. Pero los investigadores no saben qué establece el rango y los límites superiores del rendimiento muscular. Investigaciones anteriores sobre cómo funciona el músculo se han centrado en cómo funciona a nivel molecular en lugar de cómo se forman las fibras musculares, que son tridimensionales y están llenas de líquido.
El físico de la UM Suraj Shankar, profesor de física en la Universidad de Harvard. Con Mahadevan creó un modelo teórico del papel del agua en la contracción muscular y cómo el fluido se mueve a través de la fibra muscular determina la rapidez con la que se contrae la fibra muscular.
Descubrieron que el músculo exhibe un nuevo tipo de elasticidad llamada elasticidad impar, que le permite generar fuerza mediante deformaciones tridimensionales, lo que se muestra en la observación común de que cuando una fibra muscular se contrae longitudinalmente se abulta verticalmente.
Amplias implicaciones y aplicaciones.
Este marco se puede utilizar para describir muchas otras células y tejidos, que en su mayoría están basados en agua, y se puede aplicar a los movimientos ultrarrápidos de microbios unicelulares y cómo se pueden controlar, dicen los investigadores. Sus hallazgos podrían influir en el diseño de actuadores blandos (un tipo de material que convierte la energía en movimiento), músculos artificiales rápidos y materiales que cambian de forma, todos los cuales tienen velocidades de contracción muy lentas porque se accionan externamente. Sus resultados fueron publicados en la revista. El papel del flujo de líquido en la contracción muscular. «Las fibras musculares están compuestas de muchos componentes, como varias proteínas, núcleos celulares, orgánulos como las mitocondrias y motores moleculares como la miosina que convierten el combustible químico en movimiento e impulsan la contracción muscular», dijo Shankar. «Todos estos componentes forman una red de poros que se bañan en agua. Por lo tanto, una descripción apropiada y aproximada del músculo es la de una esponja activa. Pero el proceso de compresión requiere tiempo para que el agua circule, por lo que los investigadores sospechan que este movimiento del agua a través de la fibra muscular establece un límite superior a la velocidad con la que se puede contraer la fibra muscular. Para probar su teoría, modelaron los movimientos musculares en muchos organismos de mamíferos, insectos, aves, peces y reptiles, centrándose en animales que utilizan músculos para movimientos muy rápidos. Descubrieron que los músculos que producen el sonido parecido a un cascabel en la cola de una serpiente de cascabel, que se contrae de decenas a cientos de veces por segundo, normalmente no dependen del flujo de fluido. En cambio, estas contracciones están controladas por el sistema nervioso y dirigidas con más fuerza por las propiedades moleculares, o el tiempo que tardan los motores moleculares en las células en unirse y generar fuerzas. Pero en organismos pequeños como los insectos voladores, que baten sus alas entre unos cientos y miles de veces por segundo, estas contracciones son demasiado rápidas para que las neuronas las controlen directamente. Aquí el flujo de fluido es más importante. «En estos casos, descubrimos que el flujo de líquido dentro de la fibra muscular es importante, y nuestro mecanismo de hidráulica activa probablemente limite las rápidas tasas de contracción», dijo Shankar. «Algunos insectos, como los mosquitos, parecen estar cerca de nuestro umbral teóricamente predicho, pero se necesitan pruebas experimentales directas para verificar y desafiar nuestras predicciones». Los investigadores han descubierto que cuando las fibras musculares actúan como una esponja activa, este proceso hace que el músculo actúe como un motor elástico activo. Cuando algo es elástico, como una banda elástica, almacena energía mientras intenta resistir la deformación. Imagínese sosteniendo una banda elástica entre dos dedos y tirando de ella hacia atrás. Cuando sueltas la banda elástica, la banda también libera la energía almacenada a medida que se estira. En este caso, la energía se conserva: una ley fundamental de la física dicta que la cantidad de energía dentro de un sistema cerrado debe permanecer igual a lo largo del tiempo. Pero cuando el músculo convierte el combustible químico en trabajo mecánico, produce energía como un motor, violando la ley de conservación de la energía. En este caso, el músculo muestra una nueva propiedad llamada «elasticidad impar», donde su respuesta cuando se aplasta en una dirección no es recíproca. A diferencia de una banda elástica, cuando un músculo se contrae y se relaja a lo largo de su longitud, se abulta verticalmente y su fuerza no es la misma. Esto permite que las fibras musculares generen energía a partir de deformaciones repetitivas actuando como un motor suave. «Estos resultados contrastan con el pensamiento predominante, que se centra en los detalles moleculares e ignora el hecho de que los músculos son largos y fibrosos, están hidratados y tienen procesos en múltiples escalas», dijo Shankar. «En conjunto, nuestros resultados sugieren una visión revisada de cómo las funciones musculares son esenciales para comprender su fisiología. Esto es crucial para comprender los orígenes, el alcance y las limitaciones subyacentes a las diversas formas de movimiento animal. Referencia: Suraj Shankar y L. Mahadevan, 8 de julio de 2024, «La hidráulica activa y la extraña elasticidad de las fibras musculares» Física de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02540-x
