Growth and remodeling control shape memory in morphogenetic rods

Imagina intentar construir un castillo de arena en una playa donde la marea sube constantemente y el viento lanza granos de arena en todas direcciones. Esta es la realidad diaria de los seres vivos que intentan crecer. Desde la forma en que un embrión de mosca de la fruta se retuerce hasta alcanzar su forma final, hasta cómo un tallo de planta se curva hacia el sol, la naturaleza intenta constantemente construir estructuras tridimensionales complejas a partir de materiales blandos y viscosos. Pero hay un inconveniente: estos materiales son desordenados. Están llenos de pequeños y aleatorios temblores —como la estática en una radio o el choque caótico de las moléculas— que pueden arruinar fácilmente un diseño delicado. Los científicos se han preguntado durante mucho tiempo cómo los seres vivos logran construir formas tan precisas y reproducibles cuando sus bloques de construcción son tan ruidosos y propensos a colapsar en las formas más simples y aburridas posibles. Es un poco como intentar plegar un trozo de papel para hacer una grulla de origami mientras alguien sacude la mesa y el papel se está convirtendo lentamente en agua.

Para resolver este rompecabezas, los investigadores suelen observar "varillas": estructuras largas y delgadas que actúan como los esqueletos de los órganos o los tallos. Estas varillas tienen una tendencia natural a pandearse o doblarse cuando se vuelven demasiado largas, muy parecido a un fideo mojado o a un espagueti largo. Por lo general, si dejas que un fideo pandeado repose, simplemente se relaja en una curva simple, olvidando cualquier giro sofisticado que hayas intentado darle. Este artículo plantea una gran pregunta: ¿Cómo mantienen los sistemas vivos sus formas complejas y sinuosas sin que se suavicen hasta convertirse en curvas aburridas, incluso cuando están siendo sacudidos por el ruido aleatorio? La respuesta reside en una danza delicada entre tres elementos: qué tan rápido crece la varilla, qué tan "blanda" o adaptable es el material (una propiedad llamada plasticidad) y cuánto ruido aleatorio intenta arruinarlo todo.

Los autores de este estudio, Nicolas Romeo, David B. Brückner y Noah P. Mitchell, construyeron un modelo matemático para simular estas varillas sinuosas y en crecimiento. Trataron la varilla como un tipo especial de material "morfodinámico" que puede cambiar su propia memoria. Imagina un trozo de arcilla que, si lo dejas solo, olvida lentamente la forma en la que acabas de moldearlo y se asienta en su estado predeterminado y relajado. Los investigadores querían ver si podían usar esta capacidad de "olvidar" a su favor. Descubrieron que la respuesta es una historia de "punto medio": demasiado poco "olvido", y la varilla vuelve bruscamente a una forma simple; demasiado olvido, y el ruido aleatorio queda grabado en la forma, convirtiendo la varilla en un desastre caótico y desordenado. Pero descubrieron un truco de magia: si la varilla crece lo suficientemente rápido, puede romper esta regla.

Esto es lo que encontraron. Primero, observaron qué sucede cuando una varilla simplemente se queda allí sin crecer. Si el material es perfectamente rígido (como el plástico duro), cualquier forma compleja que le des eventualmente se relajará en la curva más simple. A esto lo llaman "coarcecimiento elástico". Es como un trozo de papel arrugado que se suaviza lentamente hasta convertirse en una hoja plana. Para detener esto, el material necesita ser un poco "plástico", lo que significa que debe ser capaz de remodelarse lentamente para coincidir con su forma actual. Si la remodelación ocurre a la velocidad justa, congela la forma compleja en su lugar. Este es el punto "justo" donde la forma se preserva.

Sin embargo, existe un segundo problema. Si el material es demasiado plástico (como una miel muy fluida), se vuelve demasiado sensible al ruido aleatorio. Los pequeños y aleatorios temblores quedan atrapados en la memoria del material, convirtiendo la varilla en un caos desordenado. Los autores demostraron mediante sus simulaciones que existe un compromiso: se necesita suficiente plasticidad para evitar que la forma se suavice, pero no tanta que el ruido arruine el patrón. Esto crea una ventana estrecha donde una forma puede ser recordada, pero solo si la forma no es demasiado complicada.

El verdadero avance surge cuando se añade el crecimiento. Los autores simularon la varilla alargándose, como un tallo de planta estirándose hacia el sol. Descubrieron que el crecimiento actúa como un superpoder que resuelve ambos problemas a la vez. A medida que la varilla crece, suprime naturalmente la tendencia a suavizarse en una curva simple. Al mismo tiempo, el crecimiento diluye el efecto del ruido aleatorio, haciendo que sea menos probable que el ruido arruine el patrón. En sus simulaciones, encontraron que si combinan un crecimiento rápido con una alta tasa de remodelación, pueden crear formas complejas y reproducibles que de otro modo serían imposibles.

En resumen, el artículo sugiere que los sistemas vivos no solo dependen de ser rígidos o blandos, sino que dependen de una combinación específica de crecer rápido y remodelar su estructura a un ritmo óptimo. Esto les permite "recordar" sus instrucciones iniciales de patrón a pesar del caos del ruido y la tendencia a colapsar en formas simples. Los autores utilizaron simulaciones por computadora para mostrar que esto funciona, e incluso derivaron fórmulas matemáticas para predecir exactamente qué tan rápido deben ser el crecimiento y la remodelación para mantener una forma específica. Aunque esto es actualmente un modelo de una sola varilla, los autores sugieren que este principio podría explicar cómo los órganos complejos, como los bucles de un intestino o los pliegues de un cerebro, logran formarse de manera tan fiable en el mundo desordenado y ruidoso de un embrión en desarrollo. Resulta que para construir algo complejo, a veces tienes que crecer rápido y estar dispuesto a cambiar de opinión lo justo para mantener la forma, pero no tanto como para olvidarla por completo.