Publicaciones
PUBLICACIONES 2021-2023
Kinetic modeling of the chemotactic process in run-and-tumble bacteria
La quimiotaxis es el proceso en el cual los seres vivos se dirigen hacia (o en contra) de una señal química, la que puede ser, por ejemplo, una comida o un veneno. Las bacterias son muy chicas para medir el ambiente y lo que hacen es nadar y cambiar de dirección cada cierto tiempo. En este artículo usamos ecuaciones, con parámetros que hemos medido experimentalmente, para calcular que tan eficiente es la quimiotaxis en bacterias. Para eso calculamos su movilidad y, además, mostramos que las bacterias tienen un tiempo de retardo que genera que no llegan a la comida exactamente, sino que se “equivocan” en unos cientos de micrones. Esto puede ser relevante en la ecología de bacterias en ambientes muy confinados.
Kinetic modeling of the chemotactic process in run-and-tumble bacteria
Andrea Villa-Torrealba, Simón Navia, and Rodrigo Soto
Phys. Rev. E 107, 034605, March 2023
https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.107.034605
Diversity of self-propulsion speeds reduces motility-induced clustering in confined active matter
Desde hace un tiempo se sabe que las bacterias y otros microorganismos tienden a agruparse en cúmulos sólo debido a su persistencia. Es un efecto puramente físico que no necesita señales químicas o biológicas. En canales estrechos este efecto aumenta, porque las bacterias no tienen mucho espacio para escapar. Por otro lado, en la naturaleza las bacterias no son todas iguales y tienen una diversidad de velocidades. En este artículo estudiamos cómo afecta esta diversidad a la formación de cúmulos, mostrando que mientras más diversa en la población, más difícil es formar estos cúmulos que pueden tener efectos muy negativos en los flujos en catéteres o en los canales dentro del riñón, por ejemplo.
Diversity of self-propulsion speeds reduces motility-induced clustering in confined active matter
Pablo de Castro, Francisco M. Rocha, Saulo Diles, Rodrigo Soto and Peter Sollich
Soft Matter, Issue 43, 2021.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/SM/D1SM01009C
Ecological succession and the competition-colonization trade-off in microbial communities
La competencia-colonización es una dicotomía en el centro de la sucesión ecológica. En las comunidades bacterianas, esta compensación es un mecanismo fundamental para comprender los flujos espacio-temporal en la composición del microbioma. Usando dispositivos de microfluidos como hábitats bacterianos estructurados, mostramos que, en una comunidad sintética de dos especies de cepas móviles, Escherichia coli es una especie fugitiva, mientras que Pseudomonas aeruginosa es un colonizador más lento pero un competidor superior.
Ecological succession and the competition-colonization trade-off in microbial communities
Miles T. Wetherington, Krisztina Nagy, László Dér, Ágnes Ábrahám, Janneke Noorlag,
Peter Galajda & Juan E. Keymer
BMC Biology volume 20, Article number: 262 (2022)
https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-022-01462-5
Emergence of Resistant Escherichia coli Mutants in Microfluidic On-Chip Antibiotic Gradients
Las estructuras y heterogeneidades espaciotemporales son comunes en los hábitats naturales, pero su papel en la evolución de la resistencia a los antibióticos aún está por descubrirse. En esta investigación los científicos aplican un dispositivo generador de gradiente microfluídico para estudiar la aparición de bacterias resistentes.
Emergence of Resistant Escherichia coli Mutants in Microfluidic On-Chip Antibiotic Gradients
Krisztina Nagy*, Barbara Dukic, Orsolya Hodula, Ágnes Ábrahám, Eszter Csákvár, László Dér, Miles T. Wetherington, Janneke Noorlag, Juan E. Keymer and Péter Galajda
Front. Microbiol., Volume 12, 22 March 2022
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.820738
Mezclas activas en un canal estrecho: la diversidad de la motilidad cambia el tamaño de los conglomerados
El movimiento persistente de las bacterias hace que estas se aglomeren en conglomerados, que se caracterizan por una distribución de tamaños. En este estudio desarrollamos un modelo para bacterias en un canal estrecho para evaluar la importancia relativa de la diversidad de la motilidad y el confinamiento. Mostramos que, al tener una mayor diversidad en motilidades, lo cual ocurre naturalmente en una situación biológicas, los tamaños de los conglomerados son más grandes. Utilizando parámetros ajustados a partir de experimentos con Escherichia coli, predecimos que el error en la estimación del tamaño promedio sin tener en cuenta la polidispersidad es de alrededor del 60%.
Active mixtures in a narrow channel: motility diversity changes cluster sizes
De Castro P.,Diles S., Soto R.,Sollichcd P.
Soft Matter http://rsc.li/soft-matter-journal.January 2021
DOI: 10.1039/d0sm02052d
Geometrical characterization of active contraction pulses in epithelial cells using the two-dimensional vertex model
Durante el desarrollo embrionario del pez anual, algunas células del embrión se contraen por unas horas, para luego volver a su tamaño original. Los experimentos no permitían determinar cuáles eran las fuerzas que provocaban esta contracción. Para eso, hicimos un modelo físico-matemático del tejido embrionario y lo estudiamos computacionalmente, donde podíamos aplicar las fuerzas de contracción donde quisiéramos. Mostramos que no da lo mismo: las fuerzas en el borde generan células más circulares, mientras que en la superficie da lugar a células más alargadas, entre otros hallazgos.
Geometrical characterization of active contraction pulses in epithelial cells using the two-dimensional vertex model
Fernanda Pérez-Verdugo, Germán Reig, Mauricio Cerda, Miguel L. Concha and Rodrigo Soto
Journal of the Royal Society Interface. January 2022.
https://doi.org/10.1098/rsif.2021.0851
Apical contacts stemming from incomplete delamination guide progenitor cell allocation through a dragging mechanism
En este artículo se estudió un embrión de pez en etapa temprana, donde algunas células se salen de un tejido externo para interiorizarse y con eso dar lugar a algunos órganos del pez. La pregunta es cómo estas células, pese a que dejan de ser parte del tejido externo, se siguen moviendo junto con él y con eso llegan a la posición donde tienen que formar el órgano. Usando análisis de imágenes en microscopía y modelamiento computacional, mostramos que estas células siguen siendo arrastradas mecánicamente por las de arriba y entre ellas con fuerzas que pudimos medir y modelar.
Apical contacts stemming from incomplete delamination guide progenitor cell allocation through a dragging mechanism
Eduardo Pulgar, Cornelia Schwayer, Néstor Guerrero, Loreto López, Susana Márquez, Steffen Härtel, Rodrigo Soto, Carl-Philipp Heisenberg, Miguel L Concha
eLife, Developmental Biology, August 2021
https://doi.org/10.7554/eLife.66483
Variance in Landscape Connectivity Shifts Microbial Population Scaling
Este estudio indaga sobre la ecología espacial de los microbios en el suelo, lo cual es crucial para determinar su impacto en los servicios ecosistémicos a gran escala, como el secuestro de carbono, la regulación del clima y el ciclo de nutrientes. Emulando este entorno fisicoquímico complejo como un paisaje de hábitat irregular, investigamos en un chip el efecto de cambiar las características de conectividad de este paisaje a medida que Escherichia coli forma una metapoblación.
Variance in Landscape Connectivity Shifts Microbial Population Scaling
Miles T. Wetherington, Krisztina Nagy, László Dér, Janneke Noorlag, Peter Galajda and Juan E. Keymer.
Front. Microbiol., Volume 13, 01 April 2022
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.831790
Estudio de la interacción de nanopartículas de oro modificadas con ácido fólico y fibrinógeno a través de microfluidos: implicaciones para la adsorción de proteínas, incorporación y viabilidad de las células cancerosas
Las nanopartículas de oro tienen un uso potencial para tratamientos médicos (por ejemplo, para destruir células cancerosas), debido a su capacidad para dirigirse hacia sitios específicos en el organismo. Pero es importante ver cómo interactúan con proteínas del torrente sanguíneo antes de cualquier implementación. En este estudio se investiga, la interacción entre nanopartículas de oro y proteínas del plasma, usando dispositivos microfluídicos.
Study of the interaction of folic acid-modified gold nanorods and fibrinogen through microfluidics: implications for protein adsorption, incorporation and viability of cancer cells
Nacaroha Orellana, Sujey Palma, Estefania Torres, María Luisa Cordero, Valentina Vio, Juan M. Ruso, Josué Juárez, Antonio Topete, Eyleen Araya, Rodrigo Vasquez-Contreras, Marcelo J. Kogan y Natalia Hassan.
Nanoscale, 2021, 13, 17807
DOI: 10.1039/d1nr03179a
PUBLICACIONES 2018-2020
E. coli «supercontamina» conductos estrechos debido a la amplia distribución en tiempos de nado
Una característica del movimiento bacteriano es su capacidad para nadar corriente arriba, movimiento que ocurre a través de conductos anatómicos o dispositivos médicos. En este estudio demostramos que la E. coli puede viajar corriente arriba en dispositivos de microfluidos a distancias de hasta 15 mm en solo 15 minutos. Este efecto que denominamos «supercontaminación»; que se debe a la amplia distribución de tiempos de nado en la E. coli,podría explicar la rápida aparición de algunas emergencias médicas potencialmente mortales.
E. coli “super-contaminates” narrow ducts fostered by broad run-time distribution
Figueroa-Morales N.; Rivera A., Soto R., Lindner A., Altshuler E., Clément E.
Science Advances 6 (11), eaay0155. (2020)
https://advances.sciencemag.org/content/6/11/eaay0155
Entendiendo la dinámica de contagios como un proceso microscópico en partículas activas Brownianas
Junto con el modelo SIR se han empleado varios enfoques para comprender la dinámica de contagio de las partículas que interactúan. Aquí, se introducen partículas brownianas activas (ABP) para modelar la dinámica de contagio de agentes vivos que realizan transmisión horizontal de una enfermedad infecciosa en espacio y tiempo.
Understanding contagion dynamics through microscopic processes in active Brownian particles.
Norambuena, A., Valencia, F. J., Guzmán-Lastra, F.
Scientific Reports, 10(1), 1-7. (2020).
https://www.nature.com/articles/s41598-020-77860-y
Difusión en un medio poroso
La difusión es un proceso universal, importantísimo, por ejemplo, en el transporte de moléculas al interior de las células, de señales químicas en el cerebro, o de nutrientes en el suelo. La geometría del medio influye enormemente en el proceso, como se demostró en este estudio, donde usamos varias redes de microcanales aleatorias para determinar experimentalmente el efecto del área efectiva de la red y del tamaño del área de medición en las propiedades efectivas de la red.
Local details versus effective medium approximation: A study of diffusion in microfluidic random networks made from Voronoi tessellations.
W. Ponce, M. L. Cordero.
Phys. Rev. E 101, 023110 (2020).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.101.023110
Hacia una descripción analítica de micro nadadores activos en gotas limpias y cubiertas con surfactante
Basado en un modelo analítico de campo lejano, la locomoción de un micro nadador autopropulsado moviéndose dentro de una gota viscosa limpia o una gota cubierta con surfactante distribuido homogéneamente a bajo número de Reynolds es estudiada. Encontramos que la presencia del surfactante altera significativamente la dinámica del nadador encapsulado mejorando su reorientación.
Towards an analytical description of active microswimmers in clean and in surfactant-covered drops.
Sprenger, A. R., Shaik, V. A., Ardekani, A. M., Lisicki, M., Mathijssen, A. J., Guzmán-Lastra, F Löwen H., Menzel A., Daddi-Moussa-Ider A.
The European Physical Journal E, 43(9), 1-18. (2020).
https://link.springer.com/article/10.1140/epje/i2020-11980-9
Micromotores híbridos para detección de cáncer gástrico
Los pequeños micromotores estudiados en este artículo consisten en microtúbulos formados por diferentes materiales, de manera de mostrar diferentes propiedades. En particular, se estudiaron micromotores catalíticos (que se impulsan por medio de una reacción química), magnéticos (por un campo magnético externo) o híbridos (una mezcla de ambos procesos.
Effects of preparation on catalytic, magnetic and hybrid micromotorson their functional features and application in gastric cancer biomarker detection.
D. F. Báez, Ramos, A. Corvalán, M. L. Cordero, S. Bollo, M. J. Kogan.
Sens. Act. B 310, 127843 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.127843
Bacterias que corren y tumban se aproximan lentamente al régimen difusivo
La dinámica de correr y tumbar (run-and-tumble) de las bacterias da lugar primero a un movimiento balístico, debido a su persistencia y luego, a través de giros sucesivos, a un proceso de difusión. Aquí investigamos cuánto tiempo tarda una suspensión de bacterias diluida en alcanzar el régimen de difusión, así como también que tan importante son las desviaciones respecto a este régimen para tiempos intermedios.
Run-and-tumble bacteria slowly approaching the diffusive regime Villa-Torrealba A., Chávez-Raby C., De Castro P., Soto R.
Physical Review E101, 062607 (2020)
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.101.062607
Reología no ideal de suspensiones bacterianas semidiluidas
En este artículo estudiamos la respuesta viscosa de suspensiones bacterianas en régimen semidiluido. Considerando las interacciones entre bacterias, que generan alineamiento entre ellas, mostramos que el esfuerzo viscoso producido por la actividad de las bacterias es oscilatorio, aun cuando el flujo sea estacionario.
Nonideal rheology of semidilute bacterial suspensions
Guzmán M., Soto R.
Physical Review e99, 012613 (2019)
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.99.012613
Migración celular impulsada por gradientes de deformación del sustrato
El estudio propone la existencia de un mecanismo similar a uno ya conocido -llamado durotaxis-, pero donde las células en lugar de migrar hacia zonas más duras, migran hacia zonas más estiradas. Postulamos que algunos casos de migración celular, donde las células se desplazan guiadas por señales mecánicas, pueden ser casos de “estirotaxis”, y no sólo de durotaxis como se postulaba hasta ahora.
Cell migration driven by substrate deformation gradients
Márquez S., Reig G., Concha M.,Soto R.
Phys. Biol. 16 (2019) 066001
https://doi.org/10.1088/1478-3975/ab39c7
Cadenas coloidales activas con movimiento de cilios y flagelos
En este estudio demostramos que los sistemas simplificados, que constan solo de unas pocas partículas con interacción no recíproca y asimetría cabeza-cola, muestran el movimiento de batimiento y la autopropulsión. Ambas propiedades están presentes en muchos modelos que no están en equilibrio, por lo que nuestros resultados son una característica general de la materia activa.
Active colloidal chains with cilia- and flagella-like motion
González y R. Soto
New Journal of Physics 20,053014 (2018)
http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/aabe3c
Inestabilidades del modelo de vértices para tejidos sujetos a actividad celular o bajo tensiones aplicadas
El modelo de vértices se utiliza ampliamente para describir la dinámica de los tejidos epiteliales, debido a su simplicidad y versatilidad y la fácil inclusión de parámetros biofísicos. Este estudio muestra que cuando las células modifican su perímetro de equilibrio debido a su actividad, o el tejido está sujeto a tensiones externas, el tejido se vuelve inestable y las células se deforman considerablemente. Estas deformaciones podrían luego gatillar procesos morfogenéticos.
Vertex model instabilities for tissues subject to cellular activity or applied stresses
Pérez F., Joanny J., Soto R.
Physical Review E102, 052604 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.102.052604
Las alfombras activas aumentan la difusión no equilibrada y mejoran los flujos moleculares
Las alfombras activas inyectan energía localmente en el fluido que las rodea. Mientras que las leyes de difusión de Fick se establecen cerca del equilibrio, no está claro cómo resolver el transporte que no está en equilibrio impulsado por tales fluctuaciones accionadas por la presencia de bordes y materia activa. Aquí, obtenemos la difusividad mejorada de moléculas o partículas pasivas en función de la distancia a una alfombra activa.
Active carpets drive non-equilibrium diffusion and enhanced molecular fluxes.
Guzmán-Lastra, F., Löwen, H., & Mathijssen, A. J.
Nature Communications, 12(1), 1-15. (2021).
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22029-y
Bacterias manejando gotas
En este estudio se confinaron bacterias al interior de microgotas. Las bacterias al nadar al interior de las gotas, se agrupan y forman estructuras efímeras, que causan el movimiento de la gota. Al igual que el movimiento de las bacterias, el movimiento de la gota es fluctuante y aleatorio, y se relaciona específicamente con el movimiento de las bacterias cerca de la superficie de la gota.
Bacteria driving droplets
G. Ramos, M. L. Cordero, R. Soto.
Soft Matter 16, 1359 (2020).
https://doi.org/10.1039/C9SM01839E
Transmisión perfecta de Brewster a través de una película ultrafina perforada
Cuando una onda de sonido incide sobre una superficie perforada, la transmisión de la onda es típicamente poca, excepto en algunos ángulos particulares llamados ángulos de Brewster. El efecto de las propiedades acústicas y de la geometría de la superficie en la transmisión de la onda fue estudiado de manera teórica y numérica.
Perfect Brewster transmission through ultrathin perforated films.
K.Pham, A.Maurel ,J.-F.Mercier, S.Félix, M.L.Cordero, C.Horvath
Wave motion 93, 102485 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2019.102485
Atrapamiento y penetración de particulas activas en membrana
En este artículo exploramos las interacciones entre una partícula activa y una membrana de modelo mínima. Demostramos que la partícula puede quedar atrapada por la membrana o penetrar a través de ella, donde la membrana puede dañarse permanentemente o recuperarse mediante la autocuración.
Membrane penetration and trapping of an active particle.
Daddi-Moussa-Ider, A., Goh, S., Liebchen, B., Hoell, C., Mathijssen, A. J., Guzmán-Lastra, F.,Scholz C., Menzel A., Löwen H.
The Journal of chemical physics, 150(6), 064906 (2019).
https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5080807
La exploración espacial tridimensional refleja la variabilidad temporal del motor de las E. coli?
La mayoría de los enfoques teóricos para modelar el transporte de bacterias se basan en su movimiento de correr y tumbar (run-and-tuble), donde típicamente se supone que la tasa de tumbos es constante. Estudiando las trayectorias tridimensionales de la E. coli, mostramos que existe una gran variabilidad en el comportamiento de la E. coli, caracterizadas por una tasa de tumbo fluctuante, que se relaciona con el mecanismo de quimiotaxis de estas bacterias.
3D Spatial Exploration by E. coli Echoes Motor Temporal Variability
Figueroa-Morales N., Soto R, Junot G.,Darnige T.,Douarche C. ,Martínez V. , Lindner A; Clement E. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.021004
Bacterias magnetotácticas en una gota se autoensamblan en un motor rotatorio
Las bacterias magnetotácticas son organismos que forman de manera natural un pequeño imán en su interior, que les permite alinearse con un campo magnético externo. Cuando las confinamos al interior de una gota microscópica y aplicamos un campo magnético constante, las bacterias se ponen a nadar en círculos, haciendo rotar la gota.
Magnetotactic bacteria in a droplet self-assemble into a rotary motor. Vincenti, G. Ramos, M. L. Cordero, C. Douarche, R. Soto, E.Clément. Nature Communications, 10, 5082 (2019)
https://doi.org/10.1038/s41467-019-13031-6
Algoritmo eficiente para simular partículas brownianas en GPUs
En este artículo se desarrolla un algoritmo que permite simular computacionalmente millones de partículas microscópicas impenetrables. Usando herramientas geométricas avanzadas se logra que la simulación sea muy eficiente en unidades gráficas (GPU). En la imagen se ve el caso de una mezcla de partículas de oro y platino en una solución de agua oxigenada.
GPU parallel simulation algorithm of Brownian particles with excluded volume using Delaunay triangulations
F Carter, N Hitschfeld, C Navarro, R Soto
Computer Physics Communications 229, 148 (2018)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010465518301061
Propiedades críticas de materiales granulares
Los fenómenos críticos asociados a la transición de líquido a sólido de sistemas granulares vibrados cuasi bidimensionales se estudian utilizando simulaciones de dinámica molecular del modelo de esfera dura inelástica. En este estudio vemos que en sistemas cuasi unidimensionales, la transición es solo discontinua, limitada por un punto crítico, lo que indica que dos es la dimensión más baja por tener un punto tricrítico.
Critical phenomena in quasi-two-dimensional vibrated granular systems
M Guzmán, R Soto
Physical Review E 97, 012907 (2018)
https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.97.012907
PUBLICACIONES 2010 – 2017
| Autores/Authors | Título/Title | Referencia/Reference |
|---|---|---|
| G Castillo, N Mujica, N Sepulveda, J C Carlos Sobarzo, M Guzman, R Soto | Hyperuniform states generated by a critical friction field | Phys. Rev. E (accepted 2019) |
| S Marquez, G Reig, M Concha, R Soto | Cell migration driven by substrate deformation gradients | Phys. Biol. (accepted 2019) |
| A Daddi-Moussa-Ider, S Goh, B Liebchen, C Hoell, AJTM Mathijssen, F Guzmán-Lastra, C Scholz, AM Menzel, H Löwen | Membrane penetration and trapping of an active particle | J. Chem. Phys. 150, 064906 (2019) |
| Gaspard Junot, Nuris Figueroa-Morales, Thierry Darnige, Anke Lindner, Rodrigo Soto, Harold Auradou, Eric Clément | Swimming bacteria in Poiseuille flow: The quest for active Bretherton-Jeffery trajectories | EPL 126, 44003 (2019) |
| S Gonzalez, R Soto | Directed assembly of active colloidal molecules | New Journal of Physics 21, 033041 (2019) |
| M Guzmán, R Soto | Nonideal rheology of semidilute bacterial suspensions | Phys. Rev. E 99, 012613 (2019) |
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| V Garzó, R Brito, R Soto | Enskog kinetic theory for a model of a confined quasi-two-dimensional granular fluid | Phys. Rev. E 98, 052904 (2018) |
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