Claves de un reloj embrionario
Un investigador del Departamento de Física de Exactas UBA , junto con colegas de Alemania describe el sistema cronométrico que regula el desarrollo de la columna vertebral del pez cebra. El trabajo fue publicado en la prestigiosa revista Science.
Morelli desarrolla modelos matemáticos que permiten predecir cómo se comportan las células que forman los segmentos de la columna vertebral del pez cebra.
Que los genes contienen las instrucciones para que una mosca sea una mosca y no, por ejemplo, un elefante, es algo que está claro. Sin embargo, lo que sigue siendo un misterio es cómo actúan los genes en el desarrollo del embrión, es decir, cómo, a partir de la célula que resulta de la unión del óvulo y el espermatozoide, se forman las distintas partes del futuro organismo.
En la década de 1970 se propuso la existencia de un reloj que sincronizaba la formación de los diferentes tejidos. En realidad, en los seres vivos actúan distintos tipos de ciclos y de relojes, por ejemplo, el reloj circadiano, que controla el sueño y la vigilia; o el reloj que regula el ciclo menstrual.
Ahora, las técnicas de la biología molecular permiten buscar las evidencias de cómo actúa el reloj del desarrollo embrionario. En un artículo de Science, un investigador argentino, junto a colegas de Alemania, describe cómo se produce la formación de la columna vertebral en el embrión del pez cebra. Se trata del doctor Luis Morelli, que acaba de integrarse al Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, y colegas del laboratorio del doctor Andrew Oates, en el Instituto Max Planck de Biología Molecular y Genética de Dresde, Alemania.
Morelli desarrolla modelos matemáticos que permiten predecir cómo se comportan las células que forman los segmentos de la columna vertebral del pez. Esa estructura va creciendo al ritmo de un reloj, que produce oscilaciones en la concentración de algunas proteínas. “El reloj se detiene en distintas fases del ciclo, y va dejando atrás una estructura regular de segmentos”, explica.
Una vértebra cada 25 minutos
Durante la segmentación, el embrión del pez cebra mide menos de un milímetro, pero es visible con un microscopio óptico. Así, puede determinarse que cada uno de los distintos segmentos (somitas) precursores de las vértebras se forma a un ritmo regular de 25 minutos, lo que llevó a postular, hace unos 40 años, que el proceso estaba controlado por un reloj biológico. Recién en los 90 se descubrió la base molecular de ese reloj y se detectaron oscilaciones en la producción de proteínas. Hay miles de células que muestran una oscilación en el número de proteínas, con un período aproximado de 25 minutos.
Una de las preguntas que se hicieron los investigadores es cómo se producen esas oscilaciones y cómo se coordinan, porque para lograr esa regularidad, las células tienen que comunicarse entre sí para sincronizarse.
“Un componente clave del reloj es un gen que es capaz de reprimirse a sí mismo, y lo hace con un retardo temporal, porque lleva un tiempo generar los productos que lo inhiben. De este modo se generan oscilaciones en la concentración de las proteínas”, precisa Morelli. Es como cuando se llena un tanque, y el flotante obtura la salida del agua. La diferencia es que, en el tanque, el corte es inmediato. En el reloj biológico, en cambio, hay un retardo que genera la oscilación.
Así, el modelo teórico desarrollado por Morelli contemplaba un retardo temporal en la comunicación entre las células, a pesar del cual las células oscilaban al unísono. Es algo parecido a lo que pasa con los aplausos. Si las personas están cerca unas de otras, el aplauso se sincroniza en forma inmediata. Pero, si están alejadas entre sí, por ejemplo, en puntos extremos de un estadio, el sonido tarda en llegar, y una de ellas percibe el aplauso de su compañero más tarde que el propio, entonces aminora el ritmo de su aplauso. Al otro le sucede lo mismo, y llega un punto en que se vuelven a sincronizar.
“A las células les pasa lo mismo, y lo pudimos verificar con experimentos en el pez cebra. Variamos distintas componentes de la comunicación celular y vimos que cambiaba el ritmo con el que se segmenta el eje del pez”, relata el investigador. El ritmo se iba haciendo cada vez más lento.
Al medir el período con el que se producían los segmentos, se veía que el ritmo variaba de acuerdo a la concentración de sustancias químicas.
Luis Morelli . Foto: Diana Martinez Llaser
Reloj fuera de hora
El problema es que si las células pierden sincronía, o el reloj se detiene, se pueden producir defectos en la columna vertebral. En las personas, el resultado puede ser una escoliosis congénita. “Entender cómo funciona este reloj permite entender un poco más cómo se producen esas malformaciones”, subraya Morelli.
En general los problemas surgen cuando las células no se comunican bien: las oscilaciones pierden coordinación y no hay un ritmo coherente.
Lo cierto es que hay un conjunto de genes que son responsables del ritmo de la columna vertebral. En el pez, son unos quince genes. En el ratón hay alrededor de 150 a 300. “Todas las especies de vertebrados que se han estudiado hasta ahora funcionan de esta forma, hay oscilaciones y un mecanismo como éste”, concluye Morelli.
Alan Turing, interesado en el desarrollo embrionario
A principios de la década de 1950, el británico Alan Turing, considerado como uno de los padres de las ciencias de la computación y de la inteligencia artificial, hizo la primera formulación matemática de cómo podrían generarse los patrones biológicos que rigen el desarrollo embrionario. Propuso que había sustancias que se regulaban unas a otras, y que, de este modo, se producía una transmisión de información. El término que empleó fue “difusión”.
En el mecanismo propuesto por Turing hay dos sustancias, un activador y un inhibidor, que se difunden con distinta facilidad, una muy rápido (el inhibidor), y la otra, en forma más lenta (el difusor). Donde hay fluctuación en la cantidad, se produce un pico de concentración, y se activa un inhibidor que difunde más rápido. De ese modo, se explicaba cómo se formarían las rayas características de la piel del pez cebra.
Cabe recordar que la carrera de Turing tuvo un final abrupto cuando fue procesado y condenado por ser homosexual. En 1954, dos años después del juicio, murió envenenado con cianuro. Contaba apenas con 42 años de edad. Se consideró que fue un suicidio, aunque hoy se tiende a pensar que fue envenenado. El 23 de junio pasado se cumplieron 100 años de su nacimiento.
