Los ritmos circadianos son oscilaciones internas naturales que sincronizan los comportamientos y procesos fisiológicos de un organismo con su entorno. Estos ritmos normalmente tienen un período de 24 horas y están regulados por relojes químicos internos que responden a señales externas al cuerpo, como la luz.
Aunque bien estudiados en animales, plantas y bacterias, los ritmos circadianos comparten una propiedad enigmática : el período de oscilación no se ve afectado significativamente por la temperatura, aunque la velocidad de la mayoría de las reacciones bioquímicas cambia exponencialmente con la temperatura. Esto indica claramente que está en juego algún tipo de mecanismo de compensación de temperatura. Curiosamente, algunos científicos han logrado replicar tales cualidades invariables con la temperatura en ciertas reacciones químicas oscilantes. Sin embargo, estas reacciones suelen ser problemáticas y requieren ajustes extremadamente precisos en los productos químicos que reaccionan.
Pero, ¿y si hubiera una forma más sencilla de lograr la compensación de temperatura en una reacción química oscilante? En un estudio reciente publicado en Scientific Reports, un equipo de investigadores, incluido el profesor asistente Yuhei Yamada del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), Japón, tuvo una idea inteligente para un mecanismo de compensación de temperatura utilizando una reacción llamada Belousov-Zhabotinsky ( BZ) reacción oscilante.
La clave de su enfoque radica en los geles blandos sensibles a la temperatura hechos de poli(N-isopropilacrilamida), o ‘PNIPAAm’ para abreviar, en los que puede ocurrir la reacción BZ. Estos geles consisten en hilos poliméricos que pueden acomodar un cierto volumen de solvente. Sin embargo, debido a que estos geles se encogen a medida que aumenta la temperatura, la cantidad de disolvente contenido en el gel disminuye a medida que aumenta la temperatura.
Los investigadores explotaron esta propiedad de los geles PNIPAAm añadiendo sitios de rutenio (Ru) en sus polímeros constituyentes. La naturaleza periódica de la reacción BZ particular que estudiaron los investigadores se basa parcialmente en la oxidación y reducción de iones de rutenio (Ru) de ida y vuelta. Por tanto, la velocidad de esta reacción se ve afectada por las concentraciones relativas de disolvente y Ru. Debido a que los geles de PNIPAAm pueden acomodar menos solvente cuando se encogen, la concentración relativa de Ru en los geles aumenta con la temperatura.
Como demostró el equipo de investigación a través de mediciones experimentales y un análisis matemático exhaustivo, los efectos mencionados anteriormente se combinan para formar un mecanismo de compensación de temperatura que hace que el período de la reacción BZ no se vea afectado por los cambios de temperatura. « Los geles BZ preparados exhibieron una compensación de temperatura al igual que los ritmos circadianos observados en los organismos vivos », comenta Yamada.
En general, este estudio demuestra una forma completamente nueva de lograr la compensación de temperatura en relojes biológicos artificiales basados en reacciones periódicas. Curiosamente, incluso es posible que existan mecanismos similares de compensación de temperatura que utilizan cuerpos blandos sensibles a la temperatura en sistemas biológicos en la naturaleza, como explica Yamada : « Nuestro estudio sugiere que la compensación de temperatura puede ser naturalmente autosostenible a través del sistema de salida de la maquinaria circadiana. Esto puede explicar por qué la compensación de temperatura es una propiedad universal de los ritmos circadianos observados en animales, plantas y bacterias, independientemente de la especie molecular involucrada ».
¡Esperemos que más estudios puedan ayudarnos a aclarar los misterios detrás de nuestros relojes internos !