Los tendones que mantienen unido su esqueleto son diversos, muy unidos y superpuestos de forma compleja. La optimización de los tendones para la función se extiende desde la macroescala a la nanoescala.

Los anatomistas han entendido la apariencia de los tendones desde los primeros días de la disección, pero solo recientemente los científicos han podido estudiar su nanoestructura. Un nuevo artículo en la revista de acceso abierto Nature Scientific Report revela que «en los tendones, los diferentes requisitos fisiológicos conducen a nanoestructuras funcionalmente distintas». Comienzan con un resumen de lo que hacen los tendones:

Si bien colectivamente se denominan tendones, las funciones fisiológicas atendidas por los tejidos que conectan los músculos con los huesos varían considerablemente dentro de ciertos animales, incluidos los humanos. Tendones como los extensores digitales y los flexores de la mano transmiten fuerzas de tal manera que los dedos se pueden mover con gran precisión. Otros tendones, como el tendón de Aquiles, funcionan como resortes que permiten que las actividades locomotora, como correr y saltar, se realicen de manera eficiente al almacenar energía durante la desaceleración y luego liberarla para ayudar a la aceleración de la potencia. [Énfasis añadido.]

Ya estamos aprendiendo cosas increíbles sobre los tendones para ganarnos nuestro respeto. En su serie «The Designed Body» en estas páginas hace dos años, Howard Glicksman describió cómo los tendones se unen a los músculos para manejar la tensión y evitar las torceduras.

Luego, los investigadores hablan sobre fisiología. ¿Cómo funcionan los tendones en las actividades de la vida? Algunos tendones funcionan solo en virtud de su posición. Otros son altamente dinámicos, actúan como resortes de carga. Observe cuán robustos y resistentes son los tendones, capaces de realizar acciones repetitivas muchas veces a lo largo de una vida de básquetbol, ​​caminar o tocar el piano. Los corredores de maratón deben prestar atención a este párrafo:

Los tendones que almacenan y liberan energía enfrentan diferentes demandas funcionales para aquellos que son principalmente posicionales en la naturaleza. A diferencia de los tendones posicionales, los tendones de almacenamiento de energía deben ser capaces de soportar grandes fuerzas aplicadas de manera altamente repetitiva. Cuando se corre, por ejemplo, la tensión en el tendón de Aquiles durante el contacto con el suelo que excede 12 veces el peso corporal; en el caso de una maratón, el tendón debe soportar esta carga aproximadamente 25,000 veces sin descanso. En otros tejidos, como los huesos, los regímenes exigentes de carga mecánica se tratan mediante remodelación, donde se produce un daño por fatiga, pero su acumulación excesiva se evita por la renovación de los componentes dañados. Sorprendentemente, a pesar de someterse a cargas cíclicas de alta tensión, los tendones de almacenamiento de energía no experimentan una remodelación apreciable. En lugar de reparar continuamente el daño acumulado, estos tendones especializados parecen haber desarrollado estructuras altamente resistentes a la fatiga.

Si los «tendones parecen haber evolucionado» sus características sorprendentes es una pregunta para más adelante. (Por cierto, esta es la única mención de la evolución en el documento.) Sin embargo, a escala nanométrica, los tendones se vuelven aún más asombrosos.

Los tejidos de animales basados ​​en colágeno son estructuras jerárquicas: incluso el tendón, el tejido colágeno más simple, tiene de siete a ocho niveles de jerarquía. La adaptación de la estructura del tejido para que coincida con la función fisiológica puede ocurrir en muchos niveles diferentes. Queríamos saber si el control de la arquitectura del tejido para lograr la función se extiende hasta el nivel a escala nanométrica de las fibrillas de colágeno individuales, similares a cables…

Con sus diferentes funciones en mente, quisimos determinar si el almacenamiento de energía y los tendones posicionales estaban compuestos de fibrillas de colágeno funcionalmente distintas. Las fibrillas de colágeno son cables biológicos muy precisos, construidos con precisión, cada milímetro de largo pero de solo cien nanómetros de diámetro. Las fibrillas adquieren resistencia a la tracción a través de la reticulación intermolecular, que transmite la carga de una molécula de colágeno de triple hélice a la siguiente dentro de la estructura de la fibrilla. Los tendones están compuestos por millones de estas fibrillas de colágeno empaquetadas en paralelo, que en conjunto constituyen aproximadamente las tres cuartas partes del peso seco de un tendón joven y saludable.

La hamburguesa del almuerzo de algunos canadienses sirvió algo de ciencia en el lado. Para la investigación, los autores extrajeron tendones de novillos sacrificados para alimento en Nueva Escocia. Los científicos tomaron las fibrillas de colágeno y probaron su fuerza hasta el punto de ruptura, su resistencia a desentrañar y las opciones de remodelación.

Usando tendones de extremidades anteriores bovinos adultos jóvenes, realizamos experimentos de tensión y torcedura en fibrillas de colágeno individuales extraídas de tendones con función posicional, y tendones con función de almacenamiento de energía. Las fibrillas de colágeno de los dos tipos de tendón, que tienen diferencias conocidas en la reticulación intermolecular, mostraron numerosas diferencias en sus respuestas al alargamiento. A diferencia de los tendones posicionales, las fibrillas de los tendones de almacenamiento de energía mostraron una alta rigidez y resistencia a la disrupción tanto del empaquetamiento como de la conformación moleculares, lo que ayuda a explicar cómo estos tejidos de alto estrés soportan millones de ciclos de carga con poca remodelación reparadora. Las diferencias funcionales en los tejidos portadores de carga se acompañan de importantes diferencias en la estructura de fibrillas de colágeno a nanoescala.

¡Millones de ciclos de carga! ¿Qué ingeniería humana podría esperar coincidir con las especificaciones del tendón durante décadas? Piensa en cada paso que das, cada objeto que manipulas con los dedos, cada ejercicio de flexión o estiramiento. La mayoría de nosotros lleva a cabo tales cosas fácilmente durante muchas décadas. Y piense en la gama de cargas que pueden soportar estos tejidos, desde el toque más ligero en un teclado hasta la limpieza y sacudida de 200 kg de un levantador de pesas. Cada jugador de baloncesto, saltador de altura o maratonero ejerce una tensión increíble sobre los tendones, mucho más allá de lo que es necesario para la mera supervivencia.

En conclusión, el equipo de investigación aprendió que los tendones posicionales y de almacenamiento de energía, que tienen diferentes requisitos para la reparación, dependen de la forma en que las fibrillas se organizan a nivel molecular.

Las fibrillas de colágeno de los tendones que almacenan energía son claramente estructural y mecánicamente diferentes de las que forman los tendones posicionales. La presencia de enlaces cruzados trivalentes dentro de la energía que almacena las fibrillas parece limitar el deslizamiento molecular, lo que hace que la estructura de la fibrilla sea resistente al desenrollamiento permanente e irrecuperable de la triple hélice de colágeno. La capacidad de retener la estructura normal bajo condiciones de carga severas puede explicar la capacidad de los tendones de almacenamiento de energía para funcionar con poca remodelación celular reparadora durante la vida de una persona. Queda una pregunta abierta: ¿qué ventaja obtienen los tendones posicionales al tener fibrillas de colágeno que son susceptibles a una disrupción estructural significativa cuando se sobrecargan? La presencia de reticulación trivalente se ha relacionado con una disminución de la susceptibilidad enzimática de las fibrillas de colágeno. Es posible que la rotación frecuente de fibrillas de colágeno en los tendones posicionales y, por lo tanto, la acumulación de enlaces cruzados en el extremo final de la glicación sea importante para la función fisiológica adecuada de los tendones, y que la susceptibilidad a la disrupción mecánica grave sea una compensación necesaria para una estructura fibrilar eso facilita la remodelación.

Pensando como ingenieros de diseño, los autores detectan las razones de cómo se envuelven y se organizan las fibrillas. Las compensaciones son compromisos realizados para optimizar el objetivo de diseño más alto. En una computadora portátil, por ejemplo, el peso liviano y la duración de la batería requieren compensaciones en el tamaño del disco o las dimensiones de la pantalla. Una «compensación necesaria» implica una restricción de diseño. En los tendones posicionales, vemos una posible razón para la susceptibilidad a la disrupción mecánica que sería catastrófica para los tendones que almacenan energía. El cuerpo proporciona una solución alternativa para la compensación mediante la creación de una estructura que facilita la reparación y la remodelación. Los tendones de almacenamiento de energía no pueden permitirse estar «inactivos» durante tanto tiempo y, por lo tanto, tienen una «estructura normal» más robusta a escala nanométrica.

Hemos visto de siete a ocho niveles de jerarquía en la estructura de un tendón, lo suficiente como para comenzar a pensar en la complejidad irreductible (CI). A esto se suman las limitaciones físicas de la capacidad para resistir la ruptura mientras se almacena energía, los enlaces cruzados y las opciones de reparación, y el caso para la CI crece. Se vuelve abrumadoramente persuasivo cuando consideramos que las fibras están codificadas por genes y construidas por ribosomas usando dos códigos independientes: el código genético y el código de proteína. Además de eso, tenga en cuenta que las fibrillas deben enviarse a la ubicación adecuada en el cuerpo y envueltas con otras en el ángulo apropiado por otras máquinas moleculares.

Todo esto se hace «a ciegas» por moléculas sin ojos ni cerebro, como si hubieran sido programadas por un diseñador maestro para funcionar durante toda la vida sin el pensamiento consciente del usuario. ¿Como si hubieran? Ellos fueron.

Artículo publicado originalmente en inglés por Evolution News