D’esquerra a dreta: Xavier Trepat, Pau Guillamat i Marino Arroyo.
Un estudi liderat per l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC) i el Centre Internacional de Mètodes Numèrics a l’Enginyeria (CIMNE), en col·laboració amb el European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Barcelona, permet obtenir teixits vius capaços de deformar-se de forma controlada per generar estructures tridimensionals reproduïbles.
La recerca, publicada la revista Science, presenta una nova estratègia per “programar” els canvis de forma dels teixits, controlant, mitjançant patrons químics, com s’hi orienten les cèl·lules. Els experts plantegen els objectius de l’estudi com una via per dissenyar superfícies vives que canvien de forma per si mateixes, amb potencials aplicacions que van des de l’enginyeria de teixits fins a la robòtica biohíbrida.
Imatge confocal de monocapa cel·lular nemàtica
Cèl·lules que s’alineen i donen forma a teixits
Els teixits biològics formats per cèl·lules allargades tendeixen a autoorganitzar-se generant dominis multicel·lulars on totes les cèl·lules s’orienten en la mateixa direcció, com les fibres d’un fil en un teixit tèxtil. Aquest és l’anomenat ordre nemàtic.
En ocasions, aquest ordre es trenca punts concrets, anomenats defectes topològics, que actuen com a punts de concentració de forces, capaços d’influir en com creixen, migren o fins i tot es deformen els teixits. “L’orientació de les cèl·lules controla les forces, i les forces poden controlar la generació d’una forma en tres dimensions,” explica Pau Guillamat, investigador del grup de Dinàmica Integrativa de Cèl·lules i Teixits de l’IBEC, i primer autor de l’estudi.
Per guiar aquestes forces, l’equip va utilitzar el micropatronatge químic: “van dibuixar” sobre superfícies planes unes línies d’una proteïna a la qual les cèl·lules s’adhereixen, envoltades de zones amb un polímer al qual les cèl·lules no s’hi adhereixen. Gràcies a aquests patrons, les cèl·lules s’alineen seguint les línies, creant el “mapa” d’orientacions desitjat. Això va permetre imposar defectes topològics en posicions exactes, una cosa que la natura genera de forma espontània, però desordenada.
Vídeo d’un teixit transformant-se en una forma 3D que recorda a una rosa.
Simulacions que prediuen la forma final
Marino Arroyo, catedràtic de la UPC, investigador al CIMNE i colíder de l’estudi, lidera el grup Interfícies de materials tous i vius del CIMNE, que desenvolupa models computacionals de cèl·lules, teixits i materials bioinspirats per estudiar la invasió del càncer, la mecànica epitelial i la morfogènesi, unint la mecanobiologia amb aplicacions biomèdiques.
Per aprofundir en l’origen de les forces i formes dels teixits, així com per poder predir-les, l’equip d’Arroyo, va desenvolupar models teòrics i simulacions que permeten anticipar com un patró concret d’orientacions cel·lulars acabaria transformant-se en una forma tridimensional específica.
Segons explica, “els nostres models ens han permès examinar diferents hipòtesis i finalment identificar el mecanisme pel qual l’orientació de les cèl·lules condueix al plegat tridimensional dels teixits. A més, proporcionen una relació quantitativa entre patró nemàtic i forma“, la qual cosa confirma que el sistema pot utilitzar-se com una plataforma predictiva de disseny morfològic de teixits.
Monocapa cel·lular deformada, mostrada com una visualització renderitzada
Un ventall d’aplicacions
Aquesta recerca és una prova de concepte, però obre la porta a moltes aplicacions, com l’enginyeria de teixits, per crear estructures tridimensionals sense necessitat de bastides artificials; la robòtica biohíbrida, que podria usar teixits vius deformables com actuadors biològics; o el disseny de materials vius intel·ligents, superfícies vives capaces de reconfigurar la seva forma i, potencialment, les seves propietats funcionals.
A més de les seves possibles aplicacions, aquesta metodologia permet estudiar fenòmens presents en biologia real, com la formació d’òrgans o el comportament d’alguns tumors. “És una eina perfecta per entendre com els patrons d’orientació cel·lular influeixen en la mecànica i evolució de teixits complexos“, afirma Xavier Trepat, professor de recerca ICREA a l’IBEC i colíder de la recerca.
Article de referència
Pau Guillamat, Waleed Mirza, Pradeep K. Bal, Manuel Gómez-González, Pere Roca-Cusachs, Marino Arroyo, Xavier Trepat.Guidance of cellular nematic elastomers into shape-programmable living surfaces. Science (2026). DOI: 10.1126/science.adz9174
