Nanogotas resisten fusionarse debido a una débil carga superficial positiva

Investigadores de Estados Unidos, China y Japón han descubierto por qué pequeñas gotas biomoleculares pueden persistir durante horas o incluso días, mientras que las emulsiones típicas se fusionan rápidamente en condiciones similares. Hallaron que una ligera carga positiva en la superficie de estas nanogotas crea una barrera electrostática que ralentiza su fusión. Sus hallazgos fueron publicados en Physical Review Letters.

El fenómeno es familiar en emulsiones cotidianas. Cuando dos líquidos inmiscibles se mezclan, inicialmente forman muchas gotas pequeñas. Con el tiempo, la tensión superficial impulsa al sistema a reducir el área total de interfaz haciendo que las gotas más grandes crezcan a expensas de las más pequeñas. Esto ocurre bien por coalescencia directa o mediante la maduración por Ostwald, donde moléculas se desplazan de gotas más pequeñas a más grandes.

Los condensados biomoleculares dentro de las células, compuestos por proteínas y ácidos nucleicos y que suelen medir de decenas a cientos de nanómetros, no siguen este patrón simple. Permanecen estables mucho más tiempo de lo que la termodinámica básica prediría. Entender esta estabilidad es importante porque las alteraciones en estos condensados se vinculan a los gránulos de estrés, la regulación del ARN y varios trastornos neurodegenerativos.

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El equipo dirigido por Chen Feipan en la Universidad de Hong Kong empleó un modelo simplificado: una solución de dos polielectrolitos de carga opuesta, PDDA y PMA. Observaron el comportamiento de las gotas mediante dispersión dinámica de luz durante 12 horas. Las gotas más grandes (alrededor de 500 nm) crecieron rápidamente, las de tamaño medio apenas cambiaron y las más pequeñas (por debajo de 200 nm) mantuvieron prácticamente el mismo volumen durante todo el tiempo.

Los cálculos mostraron que la maduración por Ostwald es demasiado lenta para explicar el crecimiento de estas gotas grandes, lo que convierte a la fusión en el mecanismo dominante. Sin embargo, existe una barrera electrostática. Las cadenas más largas de PDDA prefieren formar gotas densas, mientras que las cadenas más cortas de PMA tienden a permanecer disueltas. Esto provoca que algunas cargas negativas migren hacia la superficie, dejando un ligero excedente de carga positiva en el exterior de la gota.

Mediciones del potencial zeta y simulaciones por ordenador revelaron que esta carga superficial es más fuerte en las gotas más pequeñas. Esta carga positiva crea repulsión entre las nanogotas, reduciendo su tendencia a fusionarse. A medida que las gotas crecen, esta barrera electrostática se debilita, acelerando la coalescencia. Este principio está bien establecido en la química de coloides, donde el potencial zeta sirve como indicador clave de estabilidad de las dispersiones.

Para los físicos de la materia blanda, esto proporciona un modelo de trabajo útil sobre la estabilidad de los condensados biomoleculares sin invocar inmediatamente maquinaria celular compleja como el citoesqueleto o proteínas estabilizadoras especiales. Si se confirma con sistemas más cercanos a los ambientes celulares reales, esta idea podría simplificar la descripción del comportamiento de los condensados en el citoplasma y el núcleo. También ayudaría a controlar coacervados artificiales, que sirven como modelos de protocélulas y reactores blandos en bioingeniería.