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Aug 19, 2023

Sólidos de hidratación

Naturaleza (2023)Citar esto

Naturaleza (2023)Citar este artículo

Detalles de métricas

La materia biológica higroscópica en plantas, hongos y bacterias constituye una gran fracción de la biomasa de la Tierra1. Aunque metabólicamente inertes, estos materiales sensibles al agua intercambian agua con el medio ambiente y activan el movimiento2,3,4,5 y han inspirado usos tecnológicos6,7. A pesar de la variedad en la composición química, los materiales biológicos higroscópicos en múltiples reinos de vida exhiben comportamientos mecánicos similares, incluidos cambios de tamaño y rigidez con la humedad relativa8,9,10,11,12,13. Aquí informamos mediciones de microscopía de fuerza atómica en las esporas higroscópicas14,15 de una bacteria común del suelo y desarrollamos una teoría que captura el equilibrio observado, el no equilibrio y los comportamientos mecánicos sensibles al agua, encontrando que estos están controlados por la fuerza de hidratación16,17, 18 Nuestra teoría basada en la fuerza de hidratación explica una ralentización extrema del transporte de agua y predice con éxito una fuerte elasticidad no lineal y una transición en las propiedades mecánicas que difiere de los comportamientos vítreos y poroelásticos. Estos resultados indican que el agua no solo dota de fluidez a la materia biológica, sino que también puede, a través de la fuerza de hidratación, controlar las propiedades macroscópicas y dar lugar a un 'sólido de hidratación' con propiedades inusuales. Una gran fracción de la materia biológica podría pertenecer a esta clase distinta de materia sólida.

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Los datos fuente para las Figs. 1a,d–f, 3a,b, 4a–i y 5b,c, y datos extendidos Figs. 2, 4 y 5 se incluyen con el papel. Los datos sin procesar para las deflexiones en voladizo (Fig. 1c–f), la altura de las esporas (Figs. 1a y 3a,b), las curvas de fuerza-distancia (Fig. 4b–f) y las medidas de rigidez dinámica (Fig. 5c) están disponibles en figshare (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22189823)58.

Los códigos de MATLAB utilizados para el procesamiento de datos, el ajuste de curvas y el trazado están disponibles en figshare (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22189823)58.

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Descargar referencias

Agradecemos a A. Driks (Departamento de Microbiología e Inmunología, Universidad Loyola Chicago, Maywood, IL, EE. UU.) quien falleció antes de la finalización del trabajo por contribuir con esporas y por discusiones que informaron la teoría higroelástica y por sugerir el uso de conocidos propiedades de tamizado de las esporas como una estimación del tamaño de los poros. El financiamiento fue proporcionado por el Programa de Investigación de Carrera Temprana del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Oficina de Ciencias, Ciencias Energéticas Básicas (BES), bajo el premio no. DE-SC0007999 (Fig. 1 y datos experimentales en las Figs. 3 y 4); por la Oficina de Investigaciones Navales, bajo el laudo núms. N00014-19-1-2200 (Fig. 5 y análisis teóricos en Figs. 3 y 4) y N00014-21-1-4004 (análisis teóricos en Figs. 3 y 4); por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud, bajo el laudo núms. R35GM141953 (para JD) y R35GM145382 (para OS); y por el Programa de Becarios David y Lucile Packard. Reconocemos el uso de las instalaciones y la instrumentación respaldada por NSF a través de la Universidad de Columbia, la Iniciativa Nano de Columbia y el Centro de ingeniería y ciencia de investigación de materiales DMR-2011738.

xi chen

Dirección actual: Centro de Investigación Científica Avanzada (ASRC) en el Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, Nueva York, NY, EE. UU.

Ahmet-Hamdi Cavusoglu

Dirección actual: Merck Digital Sciences Studio (MDSS), Newark, NJ, EE. UU.

Estos autores contribuyeron igualmente: Steven G. Harrellson, Michael DeLay

Departamento de Física, Universidad de Columbia, Nueva York, NY, EE. UU.

Steven G. Harrellson y Ozgur Sahin

Departamento de Ciencias Biológicas, Universidad de Columbia, Nueva York, NY, EE. UU.

Michael S. DeLay, Xi Chen y Ozgur Sahin

Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Columbia, Nueva York, NY, EE. UU.

Ahmet-Hamdi Cavusoglu

Departamento de Microbiología e Inmunología, Universidad de Columbia, Nueva York, NY, EE. UU.

jonathan dworkin

Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad de Princeton, Princeton, NJ, EE. UU.

Howard A. Piedra

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MD, XC y OS diseñaron los experimentos que probaron la cinética de relajación con sensores voladizos nanomecánicos. MD y XC desarrollaron el aparato experimental para mediciones de cinética de relajación. MD realizó las mediciones de la cinética de relajación. MD, SGH, A.-HC y OS contribuyeron al análisis de las mediciones de la cinética de relajación. MD y SGH realizaron mediciones de la altura de las esporas. XC realizó mediciones de la curva fuerza-distancia. SGH y OS analizaron las medidas del cambio de tamaño sensible al agua y la elasticidad no lineal de las esporas. SGH y OS diseñaron experimentos para probar la transición higroelástica. SGH realizó los experimentos de prueba de la transición higroelástica y analizó los datos. HAS ha contribuido al análisis teórico de la transición higroelástica. JD contribuyó con materiales. OS concibió el modelo higroelástico. SGH ayudó en el desarrollo y perfeccionamiento del modelo higroelástico. MD, SGH, JD, HAS y OS contribuyeron a los debates. OS diseñó la investigación. MD, SGH y OS prepararon el documento con aportes de todos los autores.

Correspondencia a Ozgur Sahin.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature agradece a Peter Hoffmann y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores están disponibles.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Imagen de microscopía electrónica de barrido de un voladizo cubierto de esporas. Barra de escala ~20 µm. El voladizo tiene forma de T y mide aproximadamente 300 µm de largo y 30 µm de ancho, excepto cerca del extremo libre donde el ancho es de aproximadamente 60 µm.

Señales representativas de deflexión en voladizo después de pulsos fototérmicos que se muestran para un rango de niveles de humedad relativa. Las señales de desviación se normalizan para que la desviación de pico a pico corresponda a 1. Todas las curvas se obtienen con el mismo voladizo recubierto de esporas. Son representativas de las curvas de los cinco voladizos utilizados en la Fig. 1d.

Datos fuente

a, Imagen de microscopía electrónica de barrido de las esporas de B. subtilis. Barra de escala: 500 nm. Las esporas de tipo salvaje de B. subtilis tienen aproximadamente 650 nm de diámetro y 1 um a 1,5 um de longitud. b, Ilustración de la sección transversal de las esporas de B. subtilis que muestra la corteza y las capas de la cubierta que rodean el núcleo, que contiene el material genético. El pelaje es una capa proteica permeable al agua49. Las imágenes AFM de la superficie exterior de la cubierta revelan un ensamblaje de varillas paralelas formadas por proteínas de la cubierta con una periodicidad de ~ 8 nm59. La corteza, también una capa permeable al agua, es una red débilmente reticulada de peptidoglicano que tiene una estructura similar a la de las células vegetativas. El peptidoglicano vegetativo en B. subtilis tiene un diámetro promedio de 4 nm, como se observa en las imágenes AFM60. Los espesores de la capa y las capas de la corteza son de aproximadamente 70 nm cada uno (ver Métodos). El núcleo de la espora contiene proteínas y ADN. El núcleo se deshidrata61 y el ADN se empaqueta en estado cristalino62. Las mediciones del módulo de elasticidad de las películas de ADN en estado cristalino muestran que el módulo de Young de estas películas es de aproximadamente 1,1 GPa63, lo que sugiere que el núcleo es un sólido rígido en lugar de un fluido. Esta suposición también está respaldada por la observación de que las biomoléculas solubles están inmóviles en los núcleos deshidratados de las esporas latentes, pero ganan movilidad en la germinación cuando el núcleo se hidrata64. El agua de esporas, sin embargo, exhibe movilidad rotacional, como lo indican las observaciones de tiempos cortos de correlación rotacional de D2O en esporas65. Esta observación también indica que el agua en las esporas no se encuentra en un estado similar al hielo (sólido).

Los cambios en la frecuencia de resonancia de los voladizos cubiertos de esporas son sensibles a la cantidad de intercambio de agua. Usamos este efecto para comparar los efectos relativos del pulso fototérmico y la HR. Aquí representamos los cambios relativos en la frecuencia de resonancia fundamental de un voladizo cubierto con esporas en dos casos: (izquierda, barra roja) como resultado del pulso fototérmico y (derecha, barra morada) en respuesta a un cambio en la humedad relativa del 80 %. al 10%. Los resultados se dan como porcentajes. Indican que la perturbación debida al pulso fototérmico es pequeña y, por lo tanto, las desviaciones transitorias del voladizo en respuesta a los pulsos fototérmicos reflejan aproximadamente el estado de la espora en el nivel de referencia de la humedad relativa.

Datos fuente

Las cantidades de esporas están representadas por la masa de esporas estimada a partir de los cambios en las frecuencias de resonancia en voladizo. Las constantes de tiempo se trazan para las esporas de B. subtilis de tipo salvaje (cuadrado) y B. subtilis cotE gerE (círculo). Según los datos, no existe una asociación clara entre la constante de tiempo y la masa total de esporas; sin embargo, el efecto del tipo de espora da como resultado un cambio estadísticamente significativo en las constantes de tiempo: Constante de tiempo media al 50 % de HR para el tipo B salvaje. subtilis [cuadrado] es ~118 ms y ~47,1 ms para B. subtilis cotE gerE [círculo] (T de una cola, p < 0,01).

Datos fuente

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Reimpresiones y permisos

Harrellson, SG, DeLay, MS, Chen, X. et al. Sólidos de hidratación. Naturaleza (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06144-y

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Recibido: 05 Octubre 2017

Aceptado: 27 de abril de 2023

Publicado: 07 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06144-y

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