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El Hospital 12 de Octubre y la Universidad Complutense de Madrid participan en una investigación internacional que muestra el primer mapa de calor de un glóbulo rojo

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Para el profesor Francisco Monroy de la UCM, investigador asociado al Instituto de Investigación del Hospital 12 de Octubre i+12 y responsable de los experimentos de calorimetría celular en vivo mediante microscopía de última generación, “el estudio trasciende a décadas de exploración en biología celular, presentando el primer mapa microscópico de la energía, entropía y del calor que están siendo producidos por una sola célula en cada momento”.

Así, los investigadores han medido por primera vez el flujo de calor en una célula individual, un proceso conocido en física como producción de entropía. La entropía se asocia frecuentemente al desorden y al caos, pero en biología está íntimamente relacionada con la eficiencia energética, encontrándose en conexión directa con el metabolismo y la regulación, es decir, el conjunto de reacciones químicas que dan soporte a la vida desde el interior de las células. “Poder caracterizar la producción de entropía en sistemas vivos es crucial para entender la eficiencia de los procesos de conversión de energía”, afirma el profesor Félix Ritort, investigador que ha coordinado esta colaboración desde el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad de Barcelona (IN2UB).

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El descubrimiento de estos científicos tiene profundas implicaciones en la comprensión del metabolismo y de la transformación de la energía en los sistemas vivos. “El calor es un síntoma de salud en la célula y nuestro hallazgo podría abrir un nuevo camino para determinar la salud celular y de los tejidos del organismo”, concluye Ritort.

Se han encontrado valores de producción de entropía de 10-15 calorías por segundo. “Se trata de valores ínfimos para la escala humana, tan pequeños como una milbillonésima parte de una caloría por cada célula. Sin embargo, es una cantidad extraordinaria para una maquinaria celular de tamaño microscópico que actúa en cada instante de manera exquisitamente regulada desde la escala molecular. La investigación constituye un avance fundamental en la física de la célula, entendida como una máquina térmica que procesa energía y produce entropía en intercambio con su propio entorno”, afirma Monroy.

Los investigadores de este consorcio han determinado la producción de entropía mediante la medición de los movimientos activos de glóbulos rojos individuales, denominados de parpadeo, y de las fuerzas mecánicas que los causan desde el interior de la célula y que se encuentran en relación a su enorme adaptabilidad al torrente sanguíneo, particularmente en los pequeños vasos de la circulación capilar, por ejemplo, en la corteza frontal del cerebro humano donde hay una gran demanda de flujo de sangre y nutrientes. Los autores han utilizado métodos mínimamente invasivos en vivo, tanto de manipulación óptica y sensado óptico de fuerzas, como de imagen celular resuelta en el tiempo mediante videomicroscopía ultrarápida con superresolución espacial, técnica en que el grupo de la Universidad Complutense y el Hospital 12 de Octubre es pionero.

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“Asistimos al nacimiento de una nueva perspectiva del funcionamiento celular en términos de calor y fuerzas: óptimos y regulados en condiciones fisiológicas de salud, y alterados, desregulados o simplemente disfuncionales en situación de enfermedad. Las aplicaciones del mapeo celular de calor y de la producción de entropía serán inmediatas en el diagnóstico médico, posibilitando nuevos pronósticos cuantitativos y de precisión. Otras muchas permanecen aún insospechadas en la arena de las terapias personalizadas, en particular en medicina celular, especialmente para el tratamiento de las enfermedades metabólicas y el cáncer”, concluye Monroy.

DATOS DE LA INVESTIGACIÓN

Ivan Di Terlizzi de la Universidad de Padua y el Instituto Max Plank y Marta Gironella de la Universidad de Barcelona y la Universidad de Gotemburgo, co-firmantes como primeros autores del artículo. Marco Baiesi de la Universidad de Padua dirigió los cálculos teóricos. Tres equipos experimentales llevaron a cabo pruebas experimentales: el Small Biosystems Lab liderado en la Universidad de Barcelona por el grupo de Félix Ritort, Timo Betz en la Universidad de Göttingen, y el grupo liderado por Francisco Monroy de la Universidad Complutense de Madrid y el Instituto de Investigación del Hospital 12 de Octubre, en colaboración con Diego Herráez de la Universidad Francisco de Vitoria de Madrid.

ARTÍCULO DE REFERENCIA

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I. Di Terlizzi*, M. Gironella*, D. Herraez-Aguilar, T. Betz, F. Monroy, M. Baiesi, and F. Ritort. Variance Sum Rule for Entropy Production”. Science Magazine, 1st March 2024. DOI: 10.1126/science.adh1823

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