Grupo de Física Biológica y Fotofisiología

Palabras que escribe el calcio

laboratorios — por el 06/09/2013 a las 14:37

Aunque cada vez más la ciencia trabaja de modo interdisciplinario, no deja de sorprender encontrar a físicos trabajando en temas que en apariencia serían netamente biológicos. Tal es caso del grupo dirigido por Silvina Ponce Dawson, que –con modelado numérico y microscopía- estiman, entre otras cosas, la forma en la que difunde el calcio dentro de la célula.

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Ovocitos de Xenopus Laevis a los que se les inyectan indicadores de calcio.

Ovocitos de Xenopus Laevis a los que se les inyectan indicadores de calcio.

En el año 1952, el matemático Alan Turing, famoso por su máquina capaz de hacer modelos y producir algoritmos precursores de las técnicas computacionales actuales, ya cerca del final de su corta vida presentó su teoría matemática de la morfogénesis, una teoría que permite interpretar cómo ocurren los procesos de crecimiento biológico. Nadie sabe por qué se interesó Turing en estos temas, pero su trabajo es una de las contribuciones más importantes de la matemática aplicada del siglo XX. Su trabajo fue, también, el que acercó a la física Silvina Ponce Dawson a trabajar en temas relacionados con la biología.

“Turing se preguntaba cómo podía surgir forma a partir de algo que se imaginaba espacialmente uniforme. Pensaba en una célula sin estructura y se preguntaba cómo podía aparecer una distribución no homogénea que diera lugar a un organismo”, explica Ponce Dawson -profesora del Departamento de Física de Exactas UBA e investigadora principal del Conicet- quien hace un tiempo publicó un paper sobre lo que se conoce como patrones de Turing y siempre se interesó en la espacialidad. “Busco saber cómo aparece la forma, por qué las cosas no se distribuyen uniformemente. Además, el hecho de que haya distribuciones no uniformes hace que las cosas tengan que viajar de un lado a otro, y quiero observar cómo y cuán rápidamente viajan. Pero la forma por sí sola no alcanza, también hay que considerar el tiempo, entonces hay lo que llamamos una estructura espacio temporal. Siempre me interesó eso”, se entusiasma.

Por otra parte, también, desde hace unos años, Ponce Dawson y su equipo están haciendo experimentos de microscopía. “Mi tema principal tiene que ver con lo que llamamos señales de calcio. Uno de los posibles mecanismos de comunicación entre células involucra la apertura de pequeños poros que están en sus membranas y que dejan pasar iones, entre ellos, el calcio, que aparece en muchas situaciones”, explica. Cuando se abre alguno de esos poros que dejan que entre el calcio, esa elevación de la concentración de calcio genera una respuesta. El calcio actúa sobre enzimas, activa proteínas, hace que se expresen ciertos genes, genera lo que se llama una cascada de señalización. “La célula es como si fuera una hoja en blanco. El calcio es la tinta que escribe algo. La célula lee ese mensaje y da una respuesta”, ejemplifica la investigadora. El calcio está involucrado en muchos procesos, como por ejemplo, en la comunicación entre neuronas, en la contracción de cualquier músculo (incluso del corazón), en la fertilización, en la muerte celular. Una de las preguntas que surge, entonces, es cómo puede servir para mandar tantas señales diferentes. Lo que los investigadores han comprobado es que la forma en la que se distribuye el calcio dentro de la célula contribuye a generar distintas respuestas.

Un primer abordaje a este tema es entender, desde el punto de vista del modelado matemático, cuáles son los comportamientos que puede tener el calcio dentro de la célula. “Volviendo a la metáfora del papel y la tinta, es como aprender qué palabras puede escribir el calcio. Por ahora sin darle un significado sino sólo como una especie de lista, de entradas para el diccionario. Después se verá qué respuestas induce, pero por ahora lo que miramos es qué palabras escribe o sea cómo se distribuye y que mecanismos lo modulan”, explica.

Con el modelado matemático, los investigadores pueden unir experimentos que observan distintas escalas espaciales. Esto es necesario ya que las escalas van desde el nanómetro que mide el poro de un canal hasta los milímetros que pueden medir las células. “Con el modelado, lo que buscamos es unir en un modelo más general esas distintos observaciones del problema que podemos tener a distintas escalas”, comenta Ponce Dawson.

El equipo de investigadores también está haciendo experimentos de microscopía en los que colocan en la célula una sustancia que aumenta su fluorescencia ante la presencia de calcio. “Trabajamos con ovocitos que nos proporcionan los grupos de Daniel Calvo y Gabriela Amoedo. Le inyectamos la sustancia fluorescente y observamos con microscopía cómo se distribuye el calcio en el espacio y en el tiempo. Estamos tratando de aplicar distintas técnicas que nos permitan mirar cada vez a escalas más pequeñas y en más detalle”, explica la investigadora.

Si bien puede resultar extraño que especialistas en física se dediquen al estudio de problemas aplicados a la biología, las herramientas de la Física, sin dudas, pueden hacer importantes aportes. El modelado matemático es uno de ellos. Otros son las estimaciones de parámetros tales como las tasas a las que ocurren las interacciones químicas o la forma y velocidad a la que se difunde el calcio dentro de la célula. “Los experimentos que aportamos los físicos son los que sirven para cuantificar los parámetros que yo llamo biofísicos. Muchas veces, ese tipo de cuantificación no es de interés para los biólogos, que están más interesados en preguntarse sobre la respuesta que va a generar la célula. Sin embargo, para combinar modelado y experimento, esa cuantificación es indispensable”, aclara Ponce Dawson.

 

Silvina Ponce Dawson junto a su equipo de investigadores. Foto: Diana Martinez Llaser. CePro-EXACTAS

Silvina Ponce Dawson junto a su equipo de investigadores. Foto: Diana Martinez Llaser. CePro-EXACTAS

Grupo de Física Biológica y Fotofisiología

(Departamento de Física)

2do. piso, Pabellón I. Tel.: 4576-3390, internos 808 y 817.

Página web: http://users.df.uba.ar/silvina/grupo/

Dirección: Dra. Silvina Ponce Dawson

Tesistas de doctorado: Emiliano Pérez Ipiña, Lucía López, Estefanía Piegari, Cecilia Villarruel.

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