El cable de tu portátil se enreda por azar, pero el ADN se anuda siguiendo las leyes de la física, según un nuevo estudio

Es un clásico de la vida cotidiana: sacar el cable del portátil de una mochila y encontrarlo hecho un nudo, aunque nadie lo haya tocado. Lo mismo pasa con los auriculares, con una cadena fina o con cualquier cordón guardado en un cajón. Los enredos parecen inevitables, fruto del azar y del espacio reducido. Pero mientras esos nudos son molestos, en el mundo de la biología molecular los nudos también ocurren… y pueden ser fundamentales para la vida. Especialmente cuando se trata del ADN, que debe compactarse dentro de espacios muy pequeños sin enredarse de forma catastrófica.

Una investigación reciente publicada en Physical Review Letters aporta una clave importante para entender cómo se forman esos nudos en estructuras biológicas. Un equipo de científicos de la Universidad de Rice, la Universidad de Georgetown y la Universidad de Trento logró demostrar que un único filamento semiflexible puede anudarse por sí solo mientras cae a través de un fluido, sin tocar ningún objeto ni recibir perturbaciones externas. “Lo notable de este estudio es que muestra un mecanismo sorprendentemente simple y elegante que permite a un filamento formar un nudo únicamente debido a fuerzas estocásticas mientras sedimenta en un fluido bajo una fuerte fuerza gravitacional”, explicó Sibani Lisa Biswal, una de las autoras principales del estudio.

Un fenómeno que parecía imposible

El hecho de que un filamento aislado —sin colisiones, contacto con otros objetos o manipulación manual— pueda anudarse a sí mismo ha sido durante mucho tiempo un problema no resuelto dentro de la física de la materia blanda. En principio, se asumía que para que algo se enredara debía chocar, doblarse y recibir alguna intervención externa. Sin embargo, este trabajo demuestra que no siempre es necesario.

Mediante simulaciones computacionales basadas en dinámica browniana, los investigadores estudiaron cómo se comporta un filamento semiflexible cayendo por un fluido viscoso. El entorno simulado reproducía condiciones similares a las que se generan en procesos como la ultracentrifugación. Lo que observaron fue que los flujos hidrodinámicos del líquido eran capaces de deformar el filamento de forma tal que una parte se comprimía en una “cabeza” compacta, mientras el resto se extendía en una especie de “cola”.

Esa configuración permite que se generen bucles que se cruzan y se bloquean, formando nudos estables. No solo aparecen por azar, sino que evolucionan gradualmente hacia configuraciones más estables, un proceso que los autores comparan con un recocido, es decir, una reorganización progresiva y jerárquica. “Encontramos que estos nudos no simplemente aparecen, sino que evolucionan a través de una jerarquía dinámica, ajustándose y reorganizándose en topologías más estables, casi como un proceso de recocido”, dijo Fred MacKintosh, coautor del estudio.

Gravedad, fluido y flexibilidad: las claves

Uno de los aspectos más relevantes del estudio es la combinación de variables físicas necesarias para que este tipo de nudos se forme. Por un lado, la gravedad tiene un papel esencial, ya que es la que impulsa el movimiento descendente del filamento. Por otro, el tipo de fluido también influye: debe ser lo suficientemente viscoso como para generar flujos hidrodinámicos estables y de largo alcance.

Pero también importa la naturaleza del filamento. Los resultados muestran que los filamentos más flexibles tienden a formar nudos con mayor facilidad, y que los nudos generados en campos gravitacionales más intensos tienden a ser más duraderos. Esto se debe a que las fuerzas de fricción interna y las tensiones que se generan dentro del filamento ayudan a mantener el nudo estable a lo largo del tiempo.

Estas simulaciones, además de realistas, permitieron observar configuraciones de nudos que no solo se mantenían estables, sino que persistían durante periodos prolongados dentro del entorno virtual. Esto resulta especialmente relevante al considerar escalas microscópicas, donde incluso pequeñas perturbaciones pueden alterar una estructura.

Nudos dentro de la célula

La conexión con la biología no es casual. En el interior de las células, el ADN se encuentra en constante movimiento y reorganización, empaquetado en espacios muy reducidos como el núcleo o el interior de los virus. Allí, los filamentos de ADN deben enrollarse, desenrollarse, duplicarse y transcribirse sin bloquearse por enredos problemáticos.

Este estudio no solo explica cómo pueden surgir nudos en condiciones físicas concretas, sino que también aporta un marco para entender mejor el comportamiento de los polímeros biológicos. Según explican los autores, los nudos en proteínas o en ADN pueden tener efectos muy variados: en algunos casos son funcionales, en otros neutros y, a veces, perjudiciales.

Comprender cómo se forman y estabilizan puede ayudar a interpretar fenómenos como la compactación del genoma, los procesos de electroforesis (usados para separar fragmentos de ADN en laboratorio), o el transporte a través de nanoporos. “Este estudio profundiza nuestra comprensión de cómo las fuerzas y los flujos moldean el comportamiento de los polímeros”, señaló Biswal en una de sus declaraciones.

Tecnología inspirada en la biología

Más allá de las implicancias biológicas, este hallazgo también abre puertas hacia nuevas aplicaciones tecnológicas. Uno de los conceptos que se mencionan en el estudio es el de las “fábricas de nudos”: dispositivos diseñados para crear nudos de forma precisa en materiales sintéticos. Hasta ahora, este tipo de procesos dependían de manipulaciones mecánicas o químicas. Pero la posibilidad de inducir nudos estables mediante el flujo de fluidos y la acción de la gravedad representa una alternativa más eficiente y controlada.

El control de los nudos podría utilizarse para crear materiales con propiedades mecánicas específicas, donde la estructura interna esté determinada no solo por la composición química, sino también por la topología. Por ejemplo, un material con nudos internos podría ser más resistente, más flexible o tener propiedades adaptativas según el entorno.

También podría servir para mejorar técnicas de separación y caracterización de moléculas, facilitando procesos industriales o de laboratorio. De hecho, los investigadores sugieren que esta estrategia puede escalarse, convirtiéndose en una herramienta práctica en distintos campos de la ciencia de materiales.

Nudos complejos, polímeros cortos

Un aspecto especialmente llamativo del estudio es que los nudos logrados en las simulaciones no requerían filamentos largos. Tradicionalmente se asumía que los nudos complejos solo se forman y estabilizan en polímeros de gran longitud, y que para mantenerlos en el tiempo era necesario contar con una cadena aún más larga. Esta investigación, en cambio, demuestra que incluso filamentos relativamente cortos pueden alcanzar configuraciones estables y duraderas.

“Nuestro estudio sugiere una forma experimentalmente viable de obtener nudos apretados, complejos y de larga duración en polímeros muy cortos”, afirmó Luca Tubiana, coautor del trabajo y profesor en la Universidad de Trento. Esto podría tener implicancias directas en cómo se diseñan experimentos en el laboratorio, pero también en cómo se conectan los modelos teóricos de la teoría de nudos con observaciones reales a escala microscópica.

El puente entre teoría y observación, entre modelos matemáticos y comportamiento físico, es uno de los aportes más sólidos de este trabajo. Y aunque no fue diseñado para resolver el misterio de los cables enredados, este estudio ofrece algo mucho más fascinante: una explicación rigurosa sobre cómo la naturaleza puede generar orden y complejidad a partir de movimientos simples y leyes físicas universales.

Cortesía de Muy Interesante

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