El trabajo se remite a Alan Turing, matemático inglés que, entre otras cosas, propuso una idea sobre cómo surgen los patrones irregulares en la naturaleza. Describió lo que hoy se conoce como sistemas de reacción-difusión, sugiriendo que la formación de patrones biológicos podría deberse simplemente a la reacción de dos moléculas que se difunden por el espacio.
"Demostramos que el 'átomo' del movimiento en el mundo celular, el flagelo, utiliza la plantilla de Turing para dar forma, en cambio, a patrones de movimiento que impulsan el movimiento de la cola que empuja a los espermatozoides hacia delante", afirma Hermes Bloomfield-Gadêlha, matemático aplicado e ingeniero en robótica de la Universidad de Bristol (Reino Unido) que completó la investigación junto con el estudiante de posgrado James Cass.
Hay que señalar que, a pesar de las proezas de Turing, los modelos de reacción-difusión han sido objeto de debate durante mucho tiempo, y los biólogos experimentales se cuestionan hasta qué punto son fiables. Al igual que cualquier modelo matemático, simplifican la complejidad de la naturaleza en unos pocos parámetros.
Ahora bien, los modelos matemáticos pueden ser una herramienta útil para conceptualizar comportamientos complejos, como el movimiento giratorio de la cola de un espermatozoide, el flagelo.
"Aislando los elementos esenciales del latido flagelar en un modelo mínimo, descubrimos que la dinámica de reacción-difusión explica bien los patrones de latido flagelar observados", explican Cass y Bloomfield-Gadêlha en su artículo.
Según ellos, la dinámica oscilatoria es análoga a la observada en sistemas químicos. En lugar de especies químicas que reaccionan libremente y se difunden en el espacio, lo que Cass y Bloomfield-Gadêlha describen como la cinética de reacción de tira y afloja de los motores moleculares anclados en la estructura flagelar, y la deformación por cizallamiento que generan, que se difunde por los delgados y curvados apéndices.
En otras palabras, el movimiento batiente de un flagelo comienza con motores moleculares en su base y crea oscilaciones que azotan su estructura flexible en forma de ondas y puede ser modelado con dinámicas de reacción-difusión.
Sin embargo, conscientes de las limitaciones de su modelo, los investigadores fueron un paso más allá y compararon sus simulaciones con datos experimentales de estudios publicados, de espermatozoides y de Chlamydomonas reinhardtii, un alga verde unicelular.
Estudios recientes han revelado la complejidad de las maquinaciones de los espermatozoides, describiendo el axonema, la máquina molecular que impulsa el flagelo y la movilidad de los espermatozoides, como un auténtico behemoth molecular compuesto por cientos de proteínas diferentes.
Sin embargo, Cass y Bloomfield-Gadêlha descubrieron que su modelo simplificado de la mecánica de los flagelos captaba suficientemente el movimiento de estos, produciendo patrones de batido que imitaban los de los flagelos eucariotas.
"Demostramos que esta 'receta' matemática la siguen dos especies muy distantes -el espermatozoide de toro y Chlamydomonas, un alga verde que se utiliza como organismo modelo en toda la ciencia-, lo que sugiere que la naturaleza reproduce soluciones similares", explica Bloomfield-Gadêlha.
Aunque estos modelos puedan parecer una diversión trivial, la simulación de los mecanismos de los flagelos espermáticos podría tener serias implicaciones para nuestra comprensión de la movilidad de los espermatozoides, que afecta a la fertilidad masculina.
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