Investigadores Simulan el Movimiento de Organismos Unicelulares

Un equipo de investigación en la Universidad Técnica de Viena (TU Wien) ha logrado simular con éxito el proceso de movimiento de organismos unicelulares en una dirección deseada a pesar de no tener un cerebro o sistema nervioso. Antes de estos nuevos desarrollos, los investigadores no estaban seguros de cómo estos pequeños organismos eran capaces de dicho proceso.

El equipo calculó la interacción física entre un organismo modelo simple y su entorno, siendo este último un líquido con una composición química no uniforme que contiene fuentes de alimento distribuidas de manera desigual.

La investigación se publicó en la revista PNAS.

El Organismo Simulado

Los investigadores equiparon al organismo simulado con la capacidad de procesar datos sobre su alimento y entorno. Al confiar en un algoritmo de aprendizaje automático, el procesamiento de la información podía ser modificado y optimizado en pasos evolutivos. Esto significaba que los investigadores desarrollaron un organismo computacional capaz de moverse y buscar alimento de manera similar a los organismos reales.

Andreas Zöttl lideró el proyecto de investigación en el Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena.

“A primera vista, es sorprendente que un modelo tan simple pueda resolver una tarea tan difícil”, dice Zöttl. “Las bacterias pueden utilizar receptores para determinar en qué dirección, por ejemplo, la concentración de oxígeno o nutrientes está aumentando, y esta información luego desencadena un movimiento en la dirección deseada. Esto se llama quimiotaxis.”

Mientras que los organismos multicelulares tienen una interconexión de células nerviosas, los organismos unicelulares no tienen células nerviosas. Debido a esto, solo pueden realizar pasos de procesamiento simples dentro de la célula.

“Para poder explicar esto, se necesita un modelo físico realista para el movimiento de estos organismos unicelulares”, dice Zöttl. “Hemos elegido el modelo más simple que físicamente permite el movimiento independiente en un fluido en primer lugar. Nuestro organismo unicelular consiste en tres masas conectadas por músculos simplificados. La pregunta ahora es: ¿pueden estos músculos ser coordinados de tal manera que todo el organismo se mueva en la dirección deseada? Y sobre todo: ¿puede este proceso ser realizado de manera simple, o requiere un control complicado?”

Implementando el Modelo Computacional

Benedikt Hartl fue quien implementó el modelo en la computadora.

“Incluso si el organismo unicelular no tiene una red de células nerviosas, los pasos lógicos que vinculan sus ‘impresiones sensoriales’ con su movimiento pueden ser descritos matemáticamente de manera similar a una red neuronal”, dice Hartl.

Los organismos unicelulares tienen conexiones lógicas entre diferentes elementos de la célula, y el movimiento tiene lugar cuando se desencadenan señales químicas.

Maximilian Hübl completó varios de los cálculos en la investigación.

“Estos elementos y la forma en que se influyen mutuamente fueron simulados en la computadora y ajustados con un algoritmo genético: generación tras generación, la estrategia de movimiento de los organismos unicelulares virtuales se cambió ligeramente”, informa Hübl.

Cuando los organismos unicelulares lograron dirigir su movimiento hacia los químicos deseados, se les permitió “reproducirse”, mientras que aquellos que no lo hicieron “se extinguieron”. Después de pasar por muchas generaciones, se produjo una especie de evolución y surgió una red de control. Esta red permitió que un organismo unicelular virtual convirtiera percepciones químicas en movimiento dirigido, y lo hace de manera simple y con circuitos básicos.

“No debes pensar en ello como un animal altamente desarrollado que percibe conscientemente algo y luego corre hacia ello”, dice Zöttl. “Es más como un movimiento de balanceo aleatorio. Pero uno que finalmente conduce en la dirección correcta en promedio. Y eso es exactamente lo que se observa con los organismos unicelulares en la naturaleza”.