Durante el desarrollo de los embriones, siguen patrones predeterminados de plegamiento de los tejidos, de modo que los individuos de la misma especie acaban con órganos de forma casi idéntica y formas corporales muy similares.
Científicos del MIT han descubierto ahora una característica clave del tejido embrionario que ayuda a explicar cómo se lleva a cabo este proceso con tanta fidelidad en cada ocasión. En un estudio con moscas de la fruta, descubrieron que la reproducibilidad del plegamiento de los tejidos se genera mediante una red de proteínas que se conectan como una red de pesca, creando numerosas vías alternativas que los tejidos pueden utilizar para plegarse de la manera correcta.
«Lo que hemos descubierto es que hay mucha redundancia en la red», afirma Adam Martin, profesor asociado de Biología en el MIT y autor principal del estudio. «Las células interactúan y se conectan entre sí mecánicamente, pero no se observa que ninguna célula individual desempeñe un papel de suma importancia. Esto significa que, si una célula resulta dañada, otras células pueden seguir conectándose con partes dispares del tejido».
Para descubrir estas características de la red, Martin trabajó con Jörn Dunkel, profesor asociado de Matemáticas Aplicadas Físicas en el MIT y coautor del artículo, para aplicar un algoritmo que los astrónomos utilizan normalmente para estudiar la estructura de las galaxias.
Hannah Yevick, becaria posdoctoral del MIT, es la autora principal del estudio, que se publica hoy en Developmental Cell. El estudiante de posgrado Pearson Miller también es coautor del artículo.
Una red de seguridad
Durante el desarrollo embrionario, los tejidos cambian su forma mediante un proceso conocido como morfogénesis. Una forma importante en que los tejidos cambian de forma es plegarse, lo que permite que las láminas planas de células embrionarias se conviertan en tubos y en otras formas importantes para los órganos y otras partes del cuerpo. Estudios previos con moscas de la fruta han demostrado que, incluso cuando algunas de estas células embrionarias resultan dañadas, las láminas pueden seguir plegándose hasta adoptar sus formas correctas.
«Este es un proceso bastante reproducible, por lo que queríamos saber qué lo hace tan robusto», afirma Martin.
En este estudio, los investigadores se centraron en el proceso de gastrulación, durante el cual el embrión se reorganiza de una esfera de una sola capa a una estructura más compleja con múltiples capas. Este proceso, así como otros procesos morfogenéticos similares al plegamiento de los tejidos de la mosca de la fruta, también se producen en embriones humanos. Las células embrionarias implicadas en la gastrulación contienen en su citoplasma proteínas llamadas miosina y actina, que forman cables y se conectan en las uniones entre células para formar una red a lo largo del tejido. Martin y Yevick habían planteado la hipótesis de que la red de conectividad celular podría desempeñar un papel en la robustez del plegamiento de los tejidos, pero hasta ahora no existía una buena forma de rastrear las conexiones de la red.
Para lograrlo, el laboratorio de Martin unió fuerzas con Dunkel, quien estudia la física de las superficies blandas y de la materia fluida; por ejemplo, la formación de arrugas y los patrones de flujo bacteriano. Para este estudio, Dunkel tuvo la idea de aplicar un procedimiento matemático que puede identificar las características topológicas de una estructura tridimensional, análogas a las crestas y los valles de un paisaje. Los astrónomos utilizan este algoritmo para identificar galaxias, y en este caso, los investigadores lo utilizaron para rastrear las redes de actomiosina a lo largo y entre las células de una lámina de tejido.
«Una vez que se tiene la red, se pueden aplicar métodos estándar del análisis de redes: el mismo tipo de análisis que se aplicaría a las calles u otras redes de transporte, o a la red de circulación sanguínea, o a cualquier otra forma de red», afirma Dunkel.
Entre otras cosas, este tipo de análisis puede revelar la estructura de la red y la eficiencia con la que fluye la información a lo largo de ella. Una cuestión importante es qué tan bien se adapta una red si una parte de ella resulta dañada o bloqueada. El equipo del MIT descubrió que la red de actomiosina contiene una gran cantidad de redundancia; es decir, la mayoría de los «nodos» de la red están conectados a muchos otros nodos.
Esta redundancia integrada es análoga a un buen sistema de transporte público, en el que, si una línea de autobús o de tren deja de funcionar, aún se puede llegar al destino. Dado que las células pueden generar tensión mecánica a lo largo de muchas vías diferentes, pueden plegarse de la manera correcta incluso si muchas de las células de la red resultan dañadas.
«Si tú y yo sostenemos una sola cuerda y la cortamos por la mitad, se separará. Pero si tienes una red y la cortas en algunos puntos, sigue manteniéndose globalmente conectada y puede transmitir fuerzas, siempre que no la cortes por completo», afirma Dunkel.
Marco del plegamiento
Los investigadores también descubrieron que las conexiones entre las células se organizan preferentemente para discurrir en la misma dirección que el surco que se forma en las primeras etapas del plegamiento.
«Creemos que esto establece un marco alrededor del cual el tejido adoptará su forma», afirma Martin. «Si se impide la direccionalidad de las conexiones, lo que ocurre es que el plegamiento sigue produciéndose, pero se plegará a lo largo del eje incorrecto».
Aunque este estudio se realizó con moscas de la fruta, un plegamiento similar se produce en los vertebrados (incluidos los humanos) durante la formación del tubo neural, que es el precursor del cerebro y la médula espinal. Martin planea ahora aplicar las técnicas que utilizó en las moscas de la fruta para comprobar si la red de actomiosina se organiza de la misma manera en el tubo neural de los ratones. Los defectos en el cierre del tubo neural pueden provocar defectos de nacimiento como la espina bífida.
«Nos gustaría entender cómo se produce el fallo», afirma Martin. «Todavía no está claro si el problema es el cierre del tubo o si existen defectos en el proceso de plegamiento».
La investigación fue financiada por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales y por la Fundación James S. McDonnell.
