Desentrañando las matemáticas detrás de nudos de gusanos ondulantes

May 06, 2023

Durante milenios, los humanos han usado nudos por todo tipo de razones: para atar cuerdas, trenzar el cabello o tejer telas. Pero hay organismos que son mejores para hacer nudos y muy superiores, y más rápidos, para desenredarlos.

Diminutos gusanos negros de California se enredan intrincadamente por miles para formar gotas en forma de bola que les permiten ejecutar una amplia gama de funciones biológicas. Pero, lo más sorprendente de todo, mientras que los gusanos se enredan durante un período de varios minutos, pueden desenredarse en meros milisegundos, escapando a la primera señal de amenaza de un depredador.

Saad Bhamla quería comprender con precisión cómo ejecutan los gusanos negros sus movimientos de enredar y desenredar. Para investigar, Bhamla y un equipo de investigadores de Georgia Tech se vincularon con matemáticos del MIT. Su investigación, publicada en Science, podría influir en el diseño de robótica que cambia de forma y se asemeja a una fibra que se autoensambla y se mueve de manera rápida y reversible. El estudio también destaca cómo la colaboración interdisciplinaria puede responder algunas de las preguntas más desconcertantes en campos dispares.

Fascinados por la ciencia del movimiento ultrarrápido y el comportamiento colectivo, Bhamla y Harry Tuazon han estudiado los gusanos negros de California durante años, observando cómo usan el movimiento colectivo para formar manchas y luego dispersarse.

Tuazon, coautor del estudio, recopiló videos de sus experimentos con los gusanos, incluidos videos macro del mecanismo de dispersión colectiva de los gusanos y videos microscópicos de uno, dos, tres y varios gusanos que capturan sus movimientos.

Bhamla y Tuazon se acercaron a los matemáticos Jörn Dunkel del MIT y Vishal Patil de la Universidad de Stanford para colaborar. Después de ver los videos de Tuazon, los dos teóricos, que se especializan en nudos y topología, estaban ansiosos por unirse.

Bhamla y Tuazon se propusieron encontrar una técnica de imagen que les permitiera mirar dentro de la gota de gusano para poder recopilar más datos. Después de mucho ensayo y error, dieron con una solución inesperada: ultrasonido. Al colocar una gota de gusano vivo en gelatina no tóxica y usar una máquina de ultrasonido comercial, finalmente pudieron observar el interior de las intrincadas marañas de gusanos.

Después de analizar los videos de ultrasonido, Tuazon y otros investigadores en el laboratorio de Bhamla rastrearon minuciosamente el movimiento de los gusanos a mano, trazando más de 46,000 puntos de datos para que Patil y Dunkel los usaran para comprender las matemáticas detrás de los movimientos.

"Las implicaciones de estas observaciones son de gran alcance, ya que los filamentos activos son omnipresentes en las estructuras biológicas, desde las hebras de ADN hasta los organismos completos", dijo Eva Kanso, directora de programa en la Dirección de Ingeniería de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., que apoyó la investigación.

"Estos filamentos cumplen innumerables funciones y pueden proporcionar un motivo general para la ingeniería de estructuras multifuncionales y materiales que cambian de propiedades según se requiera. Así como las gotas de gusano realizan hazañas notables para enredarse y desenredarse, los futuros materiales bioinspirados pueden desafiar los límites de las estructuras convencionales al explotar la interacción entre la mecánica, la geometría y la actividad".