Similitud estructural entre estrellas de neutrones y células humanas

En 2014, el físico de la materia condensada de la UC Santa Bárbara Greg Huber y sus colegas exploraron la biofísica de tales formas --hélices que conectan pilas de hojas uniformemente espaciadas-- en un organelo celular llamado reticulo endoplásmico. Huber y sus colegas los llamaron rampas de Terasaki en honor a su descubridor, Mark Terasaki, un biólogo celular en la Universidad de Connecticut.

Huber pensó que estos 'garajes de estacionamiento' eran únicos para la materia blanda (como el interior de las células) hasta que se encontró con el trabajo del físico nuclear Charles Horowitz en la Universidad de Indiana. Mediante simulaciones por ordenador, Horowitz y su equipo habían encontrado las mismas formas en la corteza de las estrellas de neutrones.

"Llamé a Chuck y le pregunté si él era consciente de que habíamos visto estas estructuras en las células y había elaborado un modelo para ellas", dijo Huber, subdirector del Instituto Kavli para Física Teórica (KITP) de UCSB. "Fue una noticia para él, así que me di cuenta de que podría haber una interacción fructífera", explica en un comunicado de la UC Santa Bárbara.

La colaboración resultante, cuyo resultado se publica ahora en Physical Review C, exploró la relación entre dos modelos muy diferentes de la materia.

Los físicos nucleares tienen una terminología apta para toda la clase de formas que ven en sus simulaciones por ordenador de alto rendimiento de estrellas de neutrones: pasta nuclear. Estos incluyen tubos (espaguetis) y hojas paralelas (lasaña) conectadas por formas helicoidales que se parecen a las rampas Terasaki.

"Ellos ven una variedad de formas que vemos en la células", explicó Huber. "Nosotros vemos una red tubular, vemos hojas paralelas, vemos láminas conectadas entre sí a través de defectos topológicos que llamamos rampas de Terasaki, así que los paralelos son bastante profundos".

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

"Para las estrellas de neutrones, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética crean lo que es fundamentalmente un problema cuántico-mecánico", explicó Huber. "En el interior de las células, las fuerzas que unen las membranas son fundamentalmente entrópicas y tienen que ver con la minimización de la energía libre total del sistema." A primera vista, éstas no podrían ser más diferentes.

Otra diferencia es la escala. En el caso nuclear, las estructuras se basan en nucleones tales como protones y neutrones y estos bloques de construcción se miden usando femtómetros (10-15). Para las membranas intracelulares, la escala de la longitud es nanómetros (10-9). La proporción entre los dos es un factor de un millón (10-6), sin embargo estos dos regímenes muy diferentes hacen las mismas formas.

"Esto significa que hay algo profundo que no entendemos acerca de cómo modelar el sistema nuclear", dijo Huber. "Cuando tienes una densa colección de protones y neutrones como ocurre en la superficie de una estrella de neutrones, la fuerte fuerza nuclear y las fuerzas electromagnéticas conspiran para darte fases de la materia que no se podría predecir si se acaba de observar esas fuerzas operando en pequeñas colecciones de neutrones y protones ".