Muchas estructuras biológicas se forman mediante el autoensamblaje de bloques de construcción moleculares. Un nuevo estudio teórico explora cómo la forma de estos bloques de construcción puede afectar la velocidad de formación. El modelo simplificado muestra que los bloques hexagonales pueden formar estructuras grandes mucho más rápidamente que los bloques triangulares o los cuadrados. Estos resultados podrían ayudar a los biólogos a explicar algunos aspectos del comportamiento celular y, al mismo tiempo, inspirar a los ingenieros en la elaboración de diseños de autoensamblaje más eficientes.
Ciertos virus y estructuras biológicas están formados por piezas autoensamblables que pueden caracterizarse por sus formas geométricas. Por ejemplo, algunos tipos de bacterias albergan carboxisomas, que son compartimentos icosaédricos (de 20 caras) formados por subunidades hexagonales y pentagonales autoensambladas.
Para investigar el papel que juega la forma en el proceso, el equipo de investigación simuló el autoensamblaje de estructuras bidimensionales con tres tipos de bloques de construcción: triángulos, cuadrados y hexágonos. El modelo asume que los bloques se unen a lo largo de sus bordes, pero que estas interacciones son reversibles, lo que significa que las estructuras resultantes pueden desmoronarse antes de crecer mucho. Los investigadores descubrieron que ciertas formas eran mejores que otras para ensamblarse en estructuras más grandes, ya que tendían a formar estructuras intermedias con más enlaces alrededor de cada bloque. En concreto, los bloques hexagonales resultaron ser el material de construcción más eficiente, formando estructuras de 1.000 piezas 10.000 veces más rápido que los bloques triangulares.
El modelo permite comprender este fenómeno matemáticamente, poniendo de manifiesto una simetría de escala inherente. Esta simetría permite determinar cómo el tiempo de ensamblaje escala en función del tamaño de la estructura, explicando así las grandes diferencias en la eficiencia del tiempo resultantes de las diferentes morfologías de los monómeros.
Los resultados no se limitan a estas formas geométricamente simples. Tienen relevancia más allá de estos modelos simplificados y aplicarían a una amplia gama de procesos de autoensamblaje biológicos y nanotecnológicos. Así, las ingenierías podrían mejorar la eficiencia de la nanofabricación eligiendo bloques de construcción con formas y ubicaciones de los puntos de unión optimizadas.
Referencias:
Florian M. Gartner and Erwin Frey (2024) Design Principles for Fast and Efficient Self-Assembly Processes Phys. Rev. X doi: 10.1103/PhysRevX.14.021004
Michael Schirber (2024) Shape Matters in Self-Assembly Physics 17, s36
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance
