*El centro de excelencia, anclado en el Departamento de Física de la FCFM de la Universidad de Chile fue uno de los nueve proyectos de Ciencias Naturales y Exactas adjudicados por ANID para el período 2020-2023 -de un total de 180 que se presentaron a nivel nacional- lo que le permite renovar su investigación por tres años.
*Rodrigo Soto, director del Núcleo dice que en esta nueva etapa el centro sumará tres investigadores principales, dos universidades -Mayor y de Aysén- y nuevas líneas de investigación, como Ecología en un Chip.
El Núcleo Milenio Física de la Materia Activa es uno de los nueve proyectos que se adjudicaron, la semana pasada, el Concurso de Núcleos Milenio en Ciencias Naturales y Exactas 2019, lo que le permitirá a este centro de excelencia renovar por tres años un trabajo de investigación de vanguardia que inició en 2017 y que hoy exhibe en 36 publicaciones científicas, diseño de microrobot y micromotores biológicos y avances importantes en la elaboración de la que podría ser una teoría física que explique a todos estos sistema fuera del equilibrio termodinámico.
“Es un respaldo al trabajo que hemos realizado desde 2017 y nos permite dar continuidad y profundizar muchas de nuestras líneas de investigación”, dijo Rodrigo Soto, director del Núcleo Milenio, quien agregó que en esta nueva etapa, el centro sumará líneas de investigación, tres nuevos investigadores principales y dos universidades: Universidad Mayor y Universidad de Aysén.
¿QUÉ ES LA MATERIA ACTIVA?
Se llama materia activa a todos aquellos sistemas biológicos o artificiales, compuestos por muchos elementos, cada uno capaz de inyectar energía para generar movimiento. Enjambres de insectos, bandadas de aves, cardúmenes de peces son materia activa, como también bacterias, células migratorias, tejidos y coloides catalíticos que son los modelos con los que trabaja este Núcleo instalado en el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM), de la Universidad de Chile, en Beauchef.
¿Por qué es importante estudiarla? En la naturaleza existe materia que está fuera de equilibrio, para la cual las herramientas de la termodinámica y la mecánica estadística tienen poca utilidad. Y aunque en los últimos 20 años ha habido grandes avances en el estudio de estos sistemas fuera de equilibrio, no existe aún una teoría que permita comprender ni predecir todos sus procesos, por lo que se han convertido en el nuevo foco de interés de la física. El gran paradigma de estos sistemas fuera del equilibrio es la Materia Activa.
En ese contexto nace el Núcleo Milenio Física de la Materia Activa en 2017: un centro de investigación de excelencia multidisciplinario, integrado por físicos y biólogos, que tiene como objetivo final desarrollar esta teoría física para la materia activa: un área que promete revolucionar campos como la medicina o la robótica, donde estos sistemas son usados actualmente. Descifrar cómo se comporta y cuáles son sus propiedades es el salto científico que falta para lograr esas metas.
En sus tres años de vida, los científicos del Núcleo Milenio han avanzado no sólo en la configuración de esta nueva teoría y creado modelos y simulaciones en diversas áreas que incluyen desde nadadores artificiales a tejidos biológicos, sino que han trabajado en experimentación con suspensiones bacterianas en lab-on-chip, creados por una de las investigadoras del centro, María Luisa Cordero.
A la fecha han diseñado tres microrobots con distintos movimientos y una “fábrica” para crearlos en masa, liderando el trabajo de esta área en Chile. Los microrobots son dispositivos más pequeños que un grano de sal que podrían ser usados a futuro para trasladar medicamentos a órganos específicos.
También han creado micromotores biológicos, confinando bacterias en gotas de agua, estudiando sus movimientos colectivos, para lograr -luego- controlarlos externamente, lo que abre posibilidades en biotecnología y medicina teledirigida, ya que los nuevos dispositivos tecnológicos integran elementos biológicos y artificiales.
Todo este conocimiento ha quedado plasmado en 36 publicaciones en revistas científicas internacionales, a la vez que se ha formado capital humano avanzado en esta área, que incluye estudiantes de magíster, doctorado y posdoctorado.
NUEVOS DESAFÍOS
Rodrigo Soto, doctor en física, académico e investigador del DFI-FCFM de la Universidad de Chile y director del Núcleo Milenio dice que, en esta renovación, por tres años, además de seguir avanzando en las líneas de investigación existentes, se sumarán nuevas áreas de trabajo.
Una de ellas es Ecología en un chip, línea de investigación liderada por Juan Keymer de la Universidad de Aysén, quien busca estudiar el comportamiento de grandes colectivos de bacterias en sistemas (chip o mini laboratorios) que reproduzcan su nicho ecológico natural y ver cómo compiten por él en espacio y tiempo. “Queremos conocer sus dinámicas de colonización de espacios y usar el poder de la biofísica experimental para avanzar en teorías de ecología espacial y del paisaje. Utilizando comunidades de bacterias y otras células en ambientes controlados (ecosistemas sintéticos), podemos observar las dinámicas ecológicas con la precisión de la física experimental. Así, podemos testear diversas ideas de la ecología matemática. Hasta ahora, lo que hemos aprendido es que cuando las células son motiles, grupos de estas exhiben comportamiento de ondas. Lo que nos mantiene sin dormir es concebir una teoría que unifique la fenomenología de ondas, de la cual tenemos -por ahora- modelos biofísicos basados en cómo nadan las bacterias, con las teorías más clásicas de la ecología de poblaciones y comunidades”, explicó Keymer.
Por otro lado, se buscará avanzar en nuevos experimentos y simulaciones que tienen directa relación con áreas productivas, como la agricultura y la minería, a través de dos investigaciones sobre bacterias orientadas a conocer y predecir sus movimientos y propiedades de modo de mejorar la productividad de leguminosas -por un lado- y mecanismos de flotación de minerales, por otro.
En el caso de los micromotores creados con bacterias confinadas en gotas de agua, trabajo liderado por la doctora María Luisa Cordero, el desafío es lograr controlar externamente su movimiento, de modo de poder dirigirlos donde se desee, lo que abre el camino al envío de fármacos a órganos específicos. “Además se indagará cómo influye el ambiente en el movimiento de las bacterias como en un canal con ondulaciones, porque las paredes del estómago son súper corrugadas, por ejemplo”, explica Soto.
En lo teórico se buscarán distintos objetivos: Primero poner a prueba y establecer datos certeros de eficiencia sobre los modelos creados, por ejemplo, cuán eficientes son los motores biológicos y los microrobots diseñados por el centro. Además, se realizarán investigaciones sobre las transiciones de fase en materia activa y en colaboración con Miguel Concha -de Medicina UChile- se realizará teoría de los tejidos, investigando en embriones de peces cebra, con el fin de seguir ampliando los estudios sobre movimiento celular.
En esta nueva etapa del Núcleo se suman las universidades Mayor y de Aysén -a través de los investigadores Francisca Guzmán y Juan Keymer, respectivamente-, se da continuidad a la formación de capital humano que tiene ya dos nuevos estudiantes de magister y se mantienen y amplían las colaboraciones con científicos de Argentina, Brasil, Francia, Hungría, China, Luxemburgo, Alemania, Estados Unidos, entre otros.
Este proyecto es colaborativo. Tuvimos que unir a mucha gente que trabajaba en temas distintos y después de 3 años estamos haciendo cosas juntos y por lo tanto la renovación del Núcleo nos permite consolidar lo que empezamos. Eso nos da confianza para avanzar, por que sabemos hacerlo, qué funciona y todos aprendimos distintas metodologías,experimentos y teorías. Le da tranquilidad a estudiantes y postdoctorados de que pueden seguir trabajando en el grupo. Además es un reconocimiento a que lo estamos haciendo bien y eso es súper bueno. Rodrigo Soto, director del Núcleo Milenio.
Estoy muy contento con la renovación del Núcleo y mis colegas en la U. de Aysén también. Doblemente feliz, por seguir haciendo física y biología con los colegas en Beauchef y, además, por apoyar a ANID con la tarea de la descentralización de la actividad económica y científica del país. Ambas universidades son parte de la red súbete (http://movilidadnacional.cl) que, a través de trabajos de investigación en el centro, permitirá que estudiantes de Santiago podrán tener la experiencia de hacer investigación en Patagonia como también nuestros estudiantes patagones podrán tener la experiencia de investigar en el norte. Juan Keymer, investigador del Núcleo Milenio.
La renovación es súper importante, porque consolida al grupo: le da continuidad tanto a los estudiantes de doctorado, magister y a los posdoctorados, y permite que se fortalezcan los proyectos de los mismos investigadores que componen el equipo. A nivel nacional es igual de importante, porque somos el único grupo de materia activa que existe, siendo que en países como Estados Unidos, Alemania o Francia hay muchos grupos que se dedican a esta área del conocimiento. Tanto en Chile como a nivel internacional hemos empezado a ser reconocidos como un grupo que está publicando cosas interesantes en esta área y eso es súper valioso y potente, porque nos pone a un nivel en que nos podemos mostrar como un grupo fuerte tanto dentro como fuera de del país. Francisca Guzmán, investigadora Núcleo Milenio.
INVESTIGADORES
El equipo de investigadores principales de esta nueva etapa estará conformado por:
-Rodrigo Soto (director), quien es doctor en física, académico e investigador del DFI-FCFM.
-María Luisa Cordero (subdirectora), doctora en mecánica de fluidos y académica e investigadora del DFI- FCFM.
-Felipe Barra, doctor en física y académico e investigador del DFI- FCFM.
-Juan Keymer, doctor en Ciencias y académico e investigador de la U. de Aysén.
-Néstor Sepúlveda, doctor en física e investigador en el Núcleo Milenio Física de la Materia Activa.
-Francisca Guzmán, doctora en dinámica de fluidos, académica e investigadora de la U. Mayor y el Centro DaiTa Lab de esta casa de estudios.
-Investigador adjunto: Miguel Concha, doctor en Ciencias y académico e investigador de la Facultad de Medicina de la U. de Chile, del Instituto Milenio de Neurociencias Médicas.