Cómo medir el desparramo
A partir de la pregunta acerca de cómo se distribuye una proteína que tiene un rol clave en el desarrollo embrionario, un equipo que conjuga a físicos y biólogos logró determinar la forma de medir cómo se difunde una sustancia en un medio. Los resultados se publicaron en Plos Computational Biology.
De manera parecida a cómo se desparrama la tinta en el agua, se distribuyen las proteínas dentro del ambiente de la célula, pero no sólo rebotan contra las moléculas de agua, sino que a veces se quedan pegadas a ellas. Pero, en este caso, la tasa en que se desparraman es diferente.
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El hecho de que a partir de una sola célula pueda formarse un organismo complejo, como, por ejemplo, un insecto, un ave o un mamífero, siempre ha causado intriga en el ámbito científico. Y muchos son los investigadores que han intentado desentrañar los mecanismos involucrados. La pregunta central es cómo se diseña el plano del cuerpo.
En pos de responder esa pregunta, genetistas y biólogos interesados en la génesis embrionaria recurrieron a los organismos menos complejos, como la mosca de la fruta. Uno de los aspectos más indagados es de qué modo el embrión “distingue” regiones a lo largo del eje del cuerpo, desde la parte que será la cabeza hasta lo que será la cola del animal (eje anteroposterior). Se sabe que la distribución no uniforme (como gradiente) de una proteína cumple un rol fundamental. Se conocía el tiempo que le llevaba al embrión establecer el gradiente, pero ese valor era, en apariencia, incompatible con mediciones independientes de la velocidad de difusión de la proteína.
En los últimos años, algunos aportes provinieron de la física, tanto desde el punto de vista del desarrollo de nuevas técnicas de observación y medición como del de modelos matemáticos que buscan capturar la cambiante y multifacética realidad biológica. Ambos aspectos están relacionados: el resultado de cualquier medición es interpretado en el marco de un modelo, y el uso de un modelo equivocado puede llevar a una interpretación incorrecta de las observaciones. Este ir y venir entre experimento y modelado llevó a la doctora Silvina Ponce Dawson, profesora en el Departamento de Física de Exactas UBA, y su equipo, a mostrar que las mediciones sobre la difusión de la proteína eran compatibles con el tiempo que le lleva al embrión establecer su gradiente.
“Estudiamos, desde el punto de vista teórico, las etapas tempranas del desarrollo del embrión de mosca, y cómo se va estableciendo el plan del cuerpo”, relata Ponce Dawson, y prosigue: “Hay sustancias que se distribuyen en forma no homogénea dentro del embrión y que, a su vez, permiten encender y apagar genes, y facilitar que se produzcan otras proteínas”.
En la formación del embrión, participa una proteína muy estudiada, denominada Bicoid, que se difunde en forma azarosa en el interior de las células y actúa como factor de transcripción: se une al ADN y ayuda a que se transcriba, de manera de permitir que se generen otras proteínas. “Se habían publicado algunos resultados sobre el gradiente en que se distribuía la proteína Bicoid, pero no se entendía bien cómo se producía esa distribución no homogénea dentro del embrión”, señala la investigadora, quien, junto con su equipo, logró determinar cómo se difunde esa proteína, y los resultados fueron publicados en Plos Computational Biology. La primera autora del trabajo es Lorena Sigaut, y también firman el artículo los doctores John E. Pearson y Alejandro Colman-Lerner.
En efecto, en 2007 un equipo de investigadores midió por primera vez la difusión de Bicoid en embriones, mediante técnicas ópticas. El valor estimado resultó demasiado lento comparado con los experimentos que mostraban tiempos más cortos. Asimismo, pruebas posteriores mediante otras técnicas ópticas dieron valores diferentes.
Silvina Ponce Dawson.
Como la tinta en el agua
La difusión de una sustancia siempre se produce en forma aleatoria: una gota de tinta en el agua se desparrama de manera desigual. “Si se mira al microscopio, es un movimiento azaroso en el que las moléculas de tinta van chocando con las de agua, unas salen para un lado, y otras, para el otro”, explica Ponce Dawson, que ha estudiado esos fenómenos.
De manera parecida a cómo se desparrama la tinta en el agua, se distribuyen las proteínas dentro del ambiente de la célula, pero no sólo rebotan contra las moléculas de agua, sino que a veces se quedan pegadas a ellas. Pero, en este caso, la tasa en que se desparraman es diferente.
“Hace unos años habíamos observado que, cuando las sustancias difunden, el tiempo que se mide es diferente según se mire al individuo o a una población”, señala la investigadora. Si la proteína va a pegarse en un sitio, y éste se encuentra ocupado, sigue de largo. Entonces, la velocidad en que se dispersa una molécula va a depender de qué es lo que estén haciendo las otras.
El equipo que lidera Ponce Dawson encontró que la tasa varía según la técnica óptica que se aplique. De esa forma, se pudo explicar la divergencia de varios órdenes de magnitud en los valores estimados del coeficiente de difusión de la proteína Bicoid. La investigadora destaca: “La tasa de difusión es más lenta si uno sigue a un individuo que si mira a toda la población. De acuerdo con nuestro modelo, el tiempo que le lleva establecerse al gradiente está dado por esta última que es más rápida. De este modo el tiempo de formación del gradiente medido en forma experimental es compatible con las primeras mediciones de la difusión de Bicoid, que equivalen a seguir a un individuo”.
Si la técnica empleada permite supervisar la forma en que se difunde una población de moléculas, se observa un reemplazo permanente de sitios que son ocupados, liberados y ocupados nuevamente por otros individuos. Pero si la técnica sólo permite seguir la trayectoria de una molécula individual, cuando ésta se detiene, porque se pega en un sitio, resulta necesario esperar a que se despegue y siga su recorrido. De este modo, la velocidad de dispersión de una molécula individual va a ser menor que la velocidad en que se mueve el conjunto.
Los investigadores validan sus hipótesis mediante simulaciones numéricas del comportamiento de las moléculas. Y simulan las distintas técnicas ópticas que permiten seguir el movimiento del conjunto o el de moléculas individuales. Se simula el experimento, y se aplica fluorescencia a lo que se quiere medir, ya sea a todo el volumen, o a un individuo aislado. De este modo, se obtiene la tasa a la que se desplaza el individuo, y la tasa a la que se desparrama la población.
En resumen, la pregunta por las divergencias en la velocidad de distribución de una sustancia parecería quedar saldada. Es un ejemplo de cómo la física, mediante simulaciones computacionales y ecuaciones matemáticas, intenta aferrar una realidad que parece inasible.
De todos modos, son muchos los interrogantes que aún permanecen acerca de los patrones involucrados en el desarrollo embrionario.
