Mauricio Rojas rindió el examen para optar al grado de Magíster en Ciencias con mención en Física, en el DFI-FCFM de la U. de Chile, donde dio a conocer su investigación sobre mezclas de bacterias activas en paredes y obstáculos, la que fue aprobada exitosamente.
“Mezclas activas interactuando con paredes y obstáculos asimétricos” es el nombre de la tesis que, el pasado miércoles, permitió a Mauricio Rojas optar al grado de Magíster en Ciencias con mención en Física en la Universidad de Chile. Un trabajo guiado por el director y por el investigador postdoctoral del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa, Rodrigo Soto y Pablo de Castro, respectivamente, y que podría impactar en áreas como la agricultura y la medicina.
La investigación de Rojas indagó en el movimiento de micronadadores (como las bacterias), para saber cómo estos se comportan en presencia de paredes y obstáculos. Actualmente se sabe que cuando las bacterias nadan, mantienen su dirección de nado por un largo período de tiempo, aunque se vean bloqueadas por obstáculos, razón por la que se aglomeran. “Para estudiar estos fenómenos de aglomeración, los físicos -generalmente- consideran colonias bacterianas donde todas las bacterias del colectivo se mueven a la misma velocidad, lo que facilita los análisis. Sin embargo, en el 2021, físicos del Núcleo Milenio de Materia Activa descubrieron que colectivos de bacterias más diversos en sus velocidades de autopropulsión forman aglomerados más pequeños, mientras que los colectivos que son más diversos en sus ritmos de cambio de dirección forman aglomerados más grandes”, explica el doctor Pablo de Castro.
De esta forma, en su tesis de Magíster, recién aprobada, Mauricio Rojas desarrolló simulaciones computacionales y un conjunto de ecuaciones matemáticas que permiten estudiar el rol de la diversidad de velocidades de autopropulsión de las bacterias en dos tipos de superficies “En particular, Mauricio ha considerado dos nuevas situaciones importantes: el movimiento de colectivos de bacterias cerca de superficies planas y en la presencia de obstáculos asimétricos. En ambos casos, las bacterias se acumulan sobre las paredes, formando una capa de bacterias”, dice De Castro.
Impacto
En ambientes biológicos complejos, la materia activa -como las bacterias- comúnmente interactúa con obstáculos como los analizados por esta investigación como, por ejemplo, las bacterias que nadan alrededor de los órganos y otras estructuras internas del cuerpo donde viven.
Es una de las razones por las que Mauricio Rojas se decidió a estudiar este fenómeno. “Me interesé en saber cómo las bacterias se comportaban en presencia de obstáculos, pues en materia activa queremos saber cómo dirigir medicamentos dentro del cuerpo que, en la escala microscópica, es un gran conjunto de obstáculos… También cómo las bacterias se comportan en presencia de paredes, pues se sabe que éstas buscan las paredes para formar colonias”, explica.
En sus resultados, Rojas observó que, tras cierto umbral en la diversidad de sus velocidades, las bacterias más lentas resultan ser demasiado débiles y comienzan a acumularse sobre una capa de bacterias rápidas en vez de más cerca de la pared. Mientras que en los obstáculos asimétricos (con forma de medio disco), las bacterias que viajan desde un lado más curvo del obstáculo hacia un lado más plano, pasan menos tiempo atrapadas por el obstáculo que las que viajan en sentido contrario. “Como resultado, un movimiento dirigido emerge espontáneamente, lo que genera una corriente neta de bacterias que puede ser usada para transportar pequeños objetos en el mundo microscópico, como por ejemplo medicinas. Mauricio también ha descubierto que dicha corriente crece con la diversidad de velocidades”, explica el doctor Castro.
Estos hallazgos podrían tener impactos importantes a futuro en agricultura y medicina, donde la excesiva o escasa aglomeración bacteriana es un problema. “Las consecuencias más graves de la aglomeración bacteriana son la contaminación de instrumentos médicos, la mayor resistencia a antibióticos que tienen las bacterias que se encuentran protegidas dentro de los aglomerados y el mal funcionamiento de biofertilizantes compuestos de bacterias en canales estrechos del suelo (donde tener demasiada aglomeración no es lo deseable, pues las bacterias, que son las que nutren las plantas, se volverían obstruidas)”, dice el doctor De Castro.
Doctorado
Mauricio Rojas es Licenciado en Física de la Universidad de Chile y participó en 2020 en las Prácticas de Verano junto a investigadores del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa para trabajar en la investigación: “Active matter in a circular cavity enclosed by a thick rectifying porous membrane”, que se convirtió en su primer contacto con la investigación, justamente en un área vinculada al Magíster al que ese entonces estaba postulando. “Desde niño me gustó el conocimiento y cuando supe de la existencia de los científicos mi mente quedó asombrada y tomé una determinación: quería dedicar mi vida a la ciencia. En el colegio me dediqué a buscar cuál era el área me interesaba estudiar en la Universidad y aunque fue difícil elegir, ya en la media mi decisión quedó clara, quería estudiar Física”, recuerda.
Tras obtener su grado de Magíster su intención es dedicarse a la academia y cursar un doctorado. “Bajo la tutela del profesor Rodrigo Soto y el doctor Pablo De Castro he aprendido un montón sobre biofísica y cómo se hace ciencia. Tengo ansias de participar en nuevos proyectos que impulsen la frontera del conocimiento en mi doctorado”, afirma.
Un camino que su profesor guía, Pablo de Castro, vaticina como exitoso: “Mauricio es un investigador que tiene un futuro brillante y ha hecho un trabajo excelente en su tesis. En particular, su habilidad y rapidez para desarrollar simulaciones computacionales es impresionante. Actualmente, Mauricio se encuentra confirmando la realización de su doctorado en Europa, posiblemente en Viena, Austria, donde va a estudiar otros temas importantes en la frontera entre biología y física. Además, Mauricio continuará colaborando con el Núcleo en temas relacionados como, por ejemplo, las bacterias que suelen tener un mecanismo para alinear su dirección de nado a la dirección de las bacterias vecinas, lo que genera nuevas propiedades y tamaños de aglomeración bacterianos”, explica.
Resumen
Mezclas activas interactuando con paredes y obstáculos asimétricos
Mauricio Rojas-Vega
Supervisión: Pablo de Castro y Rodrigo Soto
La materia activa se compone de una gran cantidad de partículas autopropulsadas, con ejemplos que abarcan enjambres bacterianos, bandadas de animales y coloides autoforéticos. En esta tesis, estudiamos una mezcla de partículas autopropulsadas «rápidas» y «lentas» en dos escenarios: (i) en presencia de dos paredes planas paralelas y (ii) en presencia de una matriz regular de grandes partículas asimétricas (obstáculos en forma de medio disco).
Para ello, se realizaron simulaciones 2D de partículas brownianas activas. El sistema tiene dos tipos de partículas, cada una caracterizada por su propia velocidad de autopropulsión. Para aislar los efectos de la diversidad de velocidades, la velocidad de autopropulsión promedio del sistema se mantiene invariable a medida que varía el grado de diversidad de velocidades. Debido a su movimiento persistente, las partículas se acumulan alrededor de los objetos en un fenómeno conocido como “mojado”. La segregación estacionaria surge ya que es más probable que las partículas más rápidas ocupen nuevos espacios disponibles. Para grados de diversidad de velocidad ≥ 30%, observamos una transición en la que la autopropulsión de las partículas más lentas se vuelve demasiado débil y, por lo tanto, estas partículas comienzan a acumularse más fácilmente sobre una «capa» de partículas más rápidas que cerca de la pared. Para las paredes, encontramos que el proceso de segregación se desarrolla en dos etapas: una dinámica rápida, donde la capa humectante crece a través de la agregación de partículas rápidas y lentas a diferentes velocidades, y una dinámica lenta, caracterizada por la relajación del espesor y la composición de la capa humectante hacia el estado estacionario. Además, ampliamos una teoría cinética previamente utilizada para la separación de fases inducida por la motilidad en sistemas de un componente para incluir la humectación por mezclas activas. Con un excelente acuerdo cuantitativo, nuestras simulaciones y teoría muestran que, al aumentar la diversidad de velocidades, el espesor de la capa humectante disminuye fuertemente, mientras que su composición es débilmente no monótona. Para los obstáculos asimétricos, las partículas que viajan desde el lado curvo al lado plano del obstáculo de medio disco pasan menos tiempo atrapadas que en la dirección opuesta. Como resultado, el movimiento dirigido surge espontáneamente. Encontramos que la corriente de rectificación correspondiente se amplifica cuando se incrementa el grado de diversidad de velocidad. En el límite activo-pasivo, las partículas pasivas siguen experimentando un movimiento dirigido arrastrado por las activas. Debido a la rectificación, los perfiles de segregación son diferentes entre los lados curvos y planos. Cerca de las esquinas de los obstáculos se observan pares de vórtices que contribuyen aún más a la rectificación. Sus vorticidades también aumentan con la diversidad de velocidades. Nuestros resultados proporcionan información útil sobre el comportamiento de la materia activa en entornos complejos.