Un modelo matemático conecta la evolución de pollos, peces y ranas.

6 de diciembre de 2023

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por Michelle Franklin, Universidad de California - San Diego

Una de las preguntas más fundamentales y duraderas de la vida es: ¿cómo sucede? Por ejemplo, en el desarrollo humano, ¿cómo se autoorganizan las células en piel, músculos o huesos? ¿Cómo forman un cerebro, un dedo, una columna vertebral?

Aunque las respuestas a tales preguntas siguen siendo desconocidas, una línea de investigación científica se basa en comprender la gastrulación, la etapa en la que las células del embrión se desarrollan desde una sola capa hasta una estructura multidimensional con un eje corporal principal. En los seres humanos, la gastrulación ocurre aproximadamente 14 días después de la concepción.

No es posible estudiar embriones humanos en esta etapa, por lo que los investigadores de la Universidad de California San Diego, la Universidad de Dundee (Reino Unido) y la Universidad de Harvard pudieron estudiar la gastrulación en embriones de pollo, que tienen muchas similitudes con los embriones humanos en esta etapa.

Esta investigación se llevó a cabo a través de lo que el profesor asistente de física de UC San Diego, Mattia Serra, llama un bucle ideal: una combinación interdisciplinaria de ciencia teórica y experimental en ambos sentidos. Mattia es un teórico interesado en encontrar patrones emergentes en sistemas biofísicos complejos.

Aquí, él y su equipo construyeron un modelo matemático basado en la información proporcionada por los biólogos de la Universidad de Dundee. El modelo pudo predecir con precisión los flujos de gastrulación, es decir, el movimiento de decenas de miles de células en todo el embrión de pollo, observados bajo un microscopio. Esta es la primera vez que se ha podido reproducir estos flujos en embriones de pollo mediante un modelo matemático de autoorganización.

Luego, los biólogos querían ver si el modelo no solo podía replicar lo que sabían experimentalmente que era cierto, sino también predecir lo que podría suceder bajo diferentes condiciones. El equipo de Serra 'perturbó' el modelo, es decir, cambiando las condiciones iniciales o los parámetros actuales.

Los resultados fueron sorprendentes: el modelo generó flujos celulares que no se observaron naturalmente en el pollo, pero sí se observaron en otras dos especies de vertebrados: la rana y el pez.

Para asegurarse de que estos resultados no fueran una fantasía matemática del modelo, los colaboradores de biología replicaron las perturbaciones exactas del modelo en el laboratorio con el embrión de pollo. Sorprendentemente, estos embriones de pollo manipulados también mostraron flujos de gastrulación que se observan naturalmente en peces y ranas.

Estos hallazgos, publicados en Science Advances, sugieren que los mismos principios físicos detrás de la autoorganización multicelular pueden haber evolucionado en especies de vertebrados.

"Los peces, las ranas y los pollitos viven todos en diferentes entornos, por lo que con el tiempo, la presión evolutiva puede haber cambiado los parámetros y las condiciones iniciales del desarrollo embrionario", afirmó Serra. "Pero algunos de los principios fundamentales de autoorganización, al menos en esta etapa temprana de la gastrulación, pueden ser los mismos en los tres".

Serra y sus colaboradores ahora están estudiando otros mecanismos que dan lugar a patrones de autoorganización a escala de embrión. Esperan que esta investigación pueda avanzar en el diseño de biomateriales y la medicina regenerativa para ayudar a los seres humanos a vivir vidas más largas y saludables.

"El cuerpo humano es el sistema dinámico más complejo que existe", afirmó. "Hay tantas preguntas interesantes desde el punto de vista biológico, físico y matemático sobre nuestros cuerpos; es hermoso contemplar. No hay fin para los descubrimientos que podemos hacer".

Información de la revista: Science Advances

Proporcionado por la Universidad de California - San Diego