A veces, las células parecen tener sus propias reglas. Lo que en principio debería ser sencillo —una relación clara entre la estructura de la membrana celular y su comportamiento físico— ha dejado perplejos a los científicos durante años. En experimentos donde se modificaba la composición lipídica de las membranas, los resultados eran tan variables como frustrantes: unas se volvían más rígidas, otras no cambiaban en absoluto. ¿Cómo es posible que un cambio estructural tan evidente no tenga un efecto coherente?
Este rompecabezas ha empezado a resolverse gracias a un estudio publicado en Nature Communications, que revela una ley física subyacente en el comportamiento de las membranas. El equipo liderado por Rana Ashkar, de Virginia Tech, no solo ha identificado una regularidad física en lo que parecía caos, sino que ha logrado definir cómo la densidad de empaquetamiento lipídico determina la elasticidad de la membrana, independientemente del tipo de lípido o de la cantidad de colesterol presente. La clave estaba en mirar más de cerca, a escala mesoscópica, y utilizar herramientas como la espectroscopía de neutrones y la resonancia magnética nuclear.
Una ley unificadora que estaba oculta en los detalles
El hallazgo más sorprendente del estudio es que, en lugar de depender del tipo de lípido o del contenido de colesterol, la elasticidad de las membranas se rige por el espacio que ocupan los lípidos en la bicapa. Esta propiedad, conocida como área por lípido, se comporta como un regulador universal en las mediciones realizadas en la escala mesoscópica, es decir, entre las dimensiones moleculares y macroscópicas.
En palabras del estudio: “los módulos de flexión mesoscópicos siguen una dependencia universal con la densidad de empaquetamiento lipídico independientemente del contenido de colesterol, la insaturación lipídica o la temperatura”. Esta conclusión, lejos de ser anecdótica, se mantiene en una amplia variedad de composiciones membranosas y condiciones experimentales.
Las técnicas utilizadas por el equipo han sido esenciales. Mediante espectroscopía de dispersión de neutrones de eco de espín y resonancia magnética nuclear de estado sólido, se accedió a escalas de tiempo y espacio clave para detectar los cambios en la flexibilidad de las membranas. Además, los resultados fueron validados con simulaciones de dinámica molecular, lo que confiere al trabajo una gran solidez metodológica.
De los lípidos al diseño celular: implicaciones prácticas
Este principio físico recién confirmado tiene consecuencias más allá de la comprensión básica de las células. Permite predecir y controlar las propiedades mecánicas de membranas artificiales, una capacidad muy codiciada en campos como la medicina de precisión, la biotecnología y la creación de células sintéticas.
La relación identificada, que vincula la elasticidad con el empaquetamiento lipídico, puede aplicarse para diseñar vesículas lipídicas más estables para la entrega de fármacos o construir membranas que se comporten como las naturales en entornos biológicos. De hecho, una de las posibles aplicaciones del estudio está en el diseño de vacunas basadas en lípidos, como las de ARNm, cuya estabilidad depende en gran parte de las propiedades físicas de la membrana portadora.
Además, el descubrimiento permite reinterpretar estudios anteriores que ofrecían resultados contradictorios sobre el efecto del colesterol. Según el artículo, “los efectos elásticos inducidos por el colesterol son de hecho universales a escalas mesoscópicas”, lo que explica por qué otros experimentos, realizados en escalas temporales y espaciales más amplias, arrojaban conclusiones inconsistentes.
Una mirada nueva al caos aparente
Uno de los méritos del trabajo es haber logrado ordenar una serie de observaciones que durante años parecían inconexas o contradictorias. En lugar de desechar los datos “problemáticos” como ruido experimental, los investigadores buscaron un nuevo ángulo desde el cual observar el fenómeno: escalas de tiempo más cortas y medidas más precisas. Así, encontraron un patrón oculto: la elasticidad de la membrana se incrementa a medida que disminuye el área por lípido, en una relación que sigue una ley de potencia universal.
Esta conclusión, respaldada por datos experimentales y simulaciones, permite modelar la rigidez de una membrana celular solo con conocer su densidad lipídica, una información mucho más accesible que la que requieren otras técnicas. Esta accesibilidad abre la puerta a una nueva forma de estudiar la adaptabilidad celular, un fenómeno crucial en organismos que enfrentan condiciones extremas de temperatura o presión.
Además, el estudio muestra que la diversidad lipídica no implica necesariamente una complejidad inabarcable. A pesar de las muchas combinaciones posibles de lípidos en las membranas, es posible identificar un principio común que las gobierna a todas. Esto ofrece una forma de simplificar lo complejo sin perder rigor, una estrategia especialmente útil en biología sintética.
¿Por qué no lo vimos antes?
El artículo ofrece también una reflexión sobre la forma en que se han medido tradicionalmente las propiedades membranosas. Muchas de las técnicas empleadas hasta ahora trabajan a escalas macroscópicas, donde los efectos del empaquetamiento molecular quedan enmascarados por procesos más lentos y globales, como la difusión lateral o el “flip-flop” de lípidos entre capas.
Lo que el equipo de Ashkar ha demostrado es que la clave está en observar el sistema en su escala intermedia, donde los movimientos son suficientemente rápidos como para estar gobernados por las restricciones físicas locales, pero no tan rápidos como para perder la información estructural. Esa escala mesoscópica ha resultado ser el lugar donde reside la coherencia del sistema.
El siguiente paso: diseñar con conocimiento, no con ensayo y error
Uno de los grandes aportes del estudio es ofrecer un marco predictivo que podrá aplicarse directamente en el desarrollo de nuevos materiales y herramientas biomédicas. Desde membranas artificiales con funciones específicas hasta biosensores moleculares, las posibilidades de ingeniería biológica aumentan cuando se conocen las reglas físicas del sistema.
Además, el estudio permite reconsiderar otros procesos celulares en los que la elasticidad de la membrana juega un papel clave: desde la fusión de vesículas en las sinapsis neuronales hasta la penetración de virus en las células. En todos esos procesos, la capacidad de la membrana para deformarse sin romperse es un factor determinante.
La identificación de una ley física clara y comprobable también tiene impacto en el análisis de enfermedades. Algunas células cancerosas, por ejemplo, se caracterizan por tener membranas más rígidas o con distribuciones lipídicas alteradas. Con el conocimiento generado por este trabajo, podría ser posible desarrollar marcadores físicos de enfermedad o incluso intervenir terapéuticamente en la estructura de las membranas.
Referencias
- Teshani Kumarage, Sudipta Gupta, Nicholas B. Morris, Fathima T. Doole, Haden L. Scott, Laura-Roxana Stingaciu, Sai Venkatesh Pingali, John Katsaras, George Khelashvili, Milka Doktorova, Michael F. Brown, Rana Ashkar. Cholesterol modulates membrane elasticity via unified biophysical laws. Nature Communications, 31-Jul-2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62106-0.
