Los mecanismos básicos de la locomoción de microorganismos han sido estudiados exhaustivamente en el pasado. La gran mayoría de los estudios previos ha considerado únicamente fluidos simples (newtonianos). Sin embargo, en un gran número de situaciones de importancia biológica (por ejemplo, del sistema reproductivo y las infecciones bacterianas), los fluidos en los que se mueven los microorganismos son no newtonianos (comúnmente llamados fluidos complejos), por tener viscosidad variable o porque muestran una respuesta elástica. Dichas características hacen que sea practicamente imposible predecir el desempeño del nado de células en dichos fluidos. En esta propuesta, describimos las actividades para estudiar este problema. Específicamente, proponemos realizar investigaciones experimentales y teóricas con el fi_x000C_n de entender los efectos del comportamiento no newtoniano en el nado y transporte de fluidos en microorganismos. La experiencia anterior en el estudio de flujos no newtonianos y la colaboración con otros investigadores (especializados en el estudio de locomoción microscópica) nos brida un perfi_x000C_l ventajoso para contribuir a resolver preguntas no resueltas en este tema de biofísica.

En esta propuesta, iremos más allá del paradigma tradicional en el estudio de la locomoción celular abordando ciertos fenómenos de la hidrodinámica no lineal, es decir, la locomoción y el transporte en fluidos no-newtonianos. En concreto, vamos a desarrollar un marco general para la locomoción biológica y sintética en fluidos complejos cuantificando experimentalmente y teóricamente el impacto de los esfuerzos no-newtonianos sobre la cinemática y energía de nado de algunos microorganismos._x000D_ _x000D_ Los resultados de este estudio tendrán un impacto significativo en diversas áreas de interés. Los datos obtenidos permitirán caracterizar y definir con mayor precisión el “nado saludable” de células espermatozoides y de esta forma desarrollar, por ejemplo, nuevas alternativas y métodos de anticoncepción._x000D_ _x000D_ • Impacto académico. Esta propuesta está dirigida al estudio de nuevos fenómenos teóricos de la mecánica de fluidos para responder a preguntas pendientes en el área de la biología. El tema de la investigación va más allá del paradigma habitual en la locomoción a bajo número de Reynolds mediante la investigación de la hidrodinámica no lineal y no local del nado de microorganismos. Nuestro enfoque interdisciplinario combina el trabajo teórico y numérico con experimentos a macro-escala con el fin de avanzar en la comprensión científica de las fuerzas mecánicas que surgen en muchos procesos biológicos, en particular, la reproducción, y contribuir al desarrollo de dispositivos de ingeniería y métodos nuevos._x000D_ _x000D_ • Impacto tecnológico. Además de su importancia biológica, las ideas y técnicas desarrolladas en la presente propuesta serán especialmente relevantes para sistemas tecnológicos y aplicados tales como: el desarrollo de nuevas técnicas de micro-reología para fluidos no newtonianos [28-34] y el diseño de sistemas sintéticos de locomoción en fluidos complejos [35-39]._x000D_ _x000D_ • Impacto en la sociedad. Los resultados de nuestra investigación podrían ser relevantes para muchas situaciones biológicas con beneficios potencialmente importantes para la sociedad, en particular, para la reproducción, infecciones bacteriológicas y virtualmente todos los ejemplos donde las células flageladas y ciliadas están presentes e interactúan._x000D_ _x000D_ • Impacto en otros campos. El programa de investigación propuesto es interdisciplinario y se traducirá en contribuciones inmediatas a los campos de la mecánica de fluidos y la biología, pero también será de aplicación en otros ámbitos, tales como las matemáticas aplicadas, física de materia condensada, microfluidos, sistemas dinámicos no lineales, y estimulará aún más el trabajo teórico y experimental._x000D_ _x000D_ Con los resultados analíticos, computacionales y experimentales estaremos entonces en condiciones de resolver una serie de preguntas abiertas en el área de la biología, en particular las cuestiones relacionadas con la reproducción: ¿Cuál es el efecto de las estelas viscoelásticas en la velocidad de natación de los espermatozoides [40]? ¿Cuál es la influencia del ritmo y patrón del movimiento flagelar de los espermatozoides en la eficiencia de la separación de moco viscoelástico adjunto a la pared de las trompas de Falopio [41]? ¿Qué tan rápido un espermatozoide puede atravesar la capa viscoelástica alrededor del óvulo (cumulus oophurus) [42]?_x000D_