La misteriosa danza de los embriones de grillo

La misteriosa danza de los embriones de grillo

En junio, 100 científicos de la mosca de la fruta se reunieron en Creta, Grecia, para una reunión bienal. Entre ellos se encuentra Cassandra Extavour, genetista canadiense de la Universidad de Harvard. Su laboratorio estudia la evolución y el desarrollo con moscas de la fruta, “evo devo”. En su mayor parte, estos científicos eligieron la especie Drosophila melanogaster como su “organismo modelo”, un caballo de batalla alado que sirvió como insecto colaborador en al menos algunos de los Premios Nobel de Fisiología y Medicina.

Pero el Dr. Extavour también es conocido por criar especies alternativas como organismos modelo. Le gustan especialmente los grillos, especialmente el grillo de dos puntos, una especie de grillo de dos puntos, aunque todavía no se ha divertido cerca de los seguidores de la mosca de la fruta. (Alrededor de 250 investigadores principales han solicitado asistir a la reunión en Creta).

“Es una locura”, dijo en una entrevista en video desde su habitación de hotel, abofeteando a un escarabajo. “Si tratáramos de tener una reunión con todos los jefes de laboratorio que trabajan en esta especie de grillo, podríamos tener cinco, o quizás 10”.

Los grillos se han incorporado a la investigación sobre relojes biológicos, regeneración de extremidades, aprendizaje, memoria; han servido como modelos de enfermedades y fábricas farmacéuticas. ¡Un verdadero erudito, Cricket! También están ganando popularidad como alimento, con o sin cobertura de chocolate. Desde una perspectiva evolutiva, los grillos ofrecen la oportunidad de aprender más sobre el último ancestro común de los insectos. Comparten más características con otros insectos que con las moscas de la fruta. (Cabe señalar que los insectos constituyen más del 85% de las especies animales).

La investigación del Dr. Extavour aborda los fundamentos: ¿Cómo funcionan los embriones? ¿Podría esto revelar cómo se formaron los primeros animales? Cada embrión animal sigue un proceso similar: una célula se vuelve múltiple y se alinean en una capa en la superficie del huevo, proporcionando un modelo temprano para todas las partes del cuerpo adulto. Pero, ¿cómo saben las células embrionarias (células con el mismo genoma pero que no hacen lo mismo con esta información) adónde ir y qué hacer?

“Es un misterio para mí”, dijo el Dr. Extavour. “Ahí es siempre donde quiero estar”.

Seth Donoughe, biólogo y científico de datos de la Universidad de Chicago y ex alumno del laboratorio del Dr. Extavour, describe la embriología como el estudio de cómo los animales en desarrollo “hacen las partes correctas en el lugar correcto en el momento correcto”. En una nueva investigación que presenta videos fantásticos de embriones de grillos, que muestran ciertas “partes correctas” (núcleos) que se mueven en tres dimensiones, el Dr. Extavour, Donoughe y sus colegas descubrieron que el buen aprendizaje de geometría a la antigua juega un papel principal.

Los humanos, las ranas y muchos otros animales ampliamente estudiados comienzan como una sola célula que inmediatamente se divide en células individuales una y otra vez. En los grillos y la mayoría de los demás insectos, inicialmente solo se dividen los núcleos, formando muchos núcleos que viajan a través de un citoplasma compartido antes de formar sus propias membranas más tarde.

En 2019, el biólogo del desarrollo cuantitativo Stefano Di Talia de la Universidad de Duke estudió el movimiento de los núcleos de la mosca de la fruta y demostró que son transportados por un flujo pulsante en el citoplasma, un poco como una hoja que se mueve en un vórtice lento, un flujo en movimiento.

Pero hay otros mecanismos en funcionamiento en los embriones de grillo. Los investigadores pasaron horas observando y analizando la danza microscópica de los núcleos atómicos: pequeños núcleos brillantes que se dividen y se mueven en un patrón desconcertante, no completamente ordenado ni completamente aleatorio, con direcciones y velocidades variables. Los núcleos vecinos están más sincronizados que los núcleos más distantes. La actuación desmiente una coreografía que va más allá de la mera física o química.

“La geometría que adoptan los núcleos es el resultado de su capacidad para detectar y responder a la densidad de otros núcleos cercanos”, dijo el Dr. Extavour. El Dr. Di Talia, que no participó en el nuevo estudio, lo encontró conmovedor. “Este es un hermoso estudio de un hermoso sistema con un importante significado biológico”, dijo.

Los investigadores de Cricket al principio adoptaron un enfoque clásico: mirar de cerca y prestar atención. “Simplemente lo miramos”, dijo el Dr. Extavour.

Usando un microscopio de lámina láser, filmaron el video: Durante las primeras 8 horas de desarrollo del embrión, se capturó la danza de los núcleos cada 90 segundos, durante los cuales se juntaron alrededor de 500 núcleos en el citoplasma. (Los grillos eclosionan en aproximadamente dos semanas).

A menudo, los materiales biológicos son translúcidos y difíciles de ver incluso con los microscopios más potentes. Pero Taro Nakamura, entonces un postdoctorado en el laboratorio del Dr. Extavour y ahora biólogo del desarrollo en el Instituto Nacional de Biología Básica en Okazaki, Japón, diseñó una cepa especial de grillo cuyos núcleos brillan en verde fluorescente. Como dice el Dr. Nakamura, cuando registró el desarrollo del embrión, los resultados fueron “impactantes”.

El Dr. Donoughe dijo que este era el “punto de partida” para el proceso exploratorio. Parafraseó una cita del autor de ciencia ficción y profesor de bioquímica Isaac Asimov: “Por lo general, no estás diciendo ‘¡Eureka!’. Cuando encuentras algo, dices: ‘Hmm. Eso es raro'”.

Inicialmente, dado que los embriones tenían aproximadamente un tercio del tamaño de un grano (de grano largo), los biólogos comenzaron a reproducir los videos, que se proyectaron en la pantalla de una sala de conferencias, el equivalente a una pelota de cricket IMAX. Intentan detectar patrones, pero el conjunto de datos es abrumador. Necesitan más conocimiento cuantitativo.

El Dr. Donoughe contactó a Christopher Rycroft, un matemático aplicado ahora en la Universidad de Wisconsin-Madison, y le mostró núcleos danzantes. ‘¡Guau! ‘, dijo el Dr. Rycroft. Nunca había visto algo así, pero reconoció el potencial de la colaboración basada en datos. Él y Jordan Hoffmann, estudiante de doctorado en el laboratorio del Dr. Rycroft en ese momento, se unieron a la investigación.

Durante las numerosas proyecciones, el equipo de Biología Matemática se planteó muchas preguntas: ¿Cuántos núcleos hay? ¿Cuándo empezaron a separarse? ¿A donde van ellos? ¿Dónde terminaron? ¿Por qué unos tiran y otros gatean?

El Dr. Rycroft trabaja con frecuencia en la encrucijada de las ciencias físicas y de la vida. (El año pasado, publicó sobre la física de las arrugas del papel). cosa.

El equipo pasa mucho tiempo dando vueltas a las ideas en la pizarra, a menudo dibujando diagramas. Esta pregunta le recordó al Dr. Rycroft un diagrama de Voronoi, una estructura geométrica que divide el espacio en subregiones que no se superponen: polígonos o celdas de Voronoi, cada una de las cuales emana de un punto semilla. Es un concepto versátil que se aplica a cosas tan diversas como los cúmulos de galaxias, las redes inalámbricas y los patrones de crecimiento de las copas de los bosques. (El tronco es el punto de la semilla, y la corona son las células de Voronoi, que se acurrucan estrechamente pero no se invaden entre sí, un fenómeno llamado timidez de la corona).

En el escenario del grillo, los investigadores contaron las células de Voronoi alrededor de cada núcleo y observaron que la forma de las células ayudó a predecir en qué dirección se movería el núcleo a continuación. Básicamente, dice el Dr. Dono, “los núcleos tienden a moverse a espacios abiertos cercanos”.

La geometría, señala, proporciona una forma abstracta de pensar sobre la mecánica celular. “Durante la mayor parte de la historia de la biología celular, no pudimos medir u observar directamente las fuerzas mecánicas”, dijo, aunque estaba claro que “motores, apretones y empujones” estaban en funcionamiento. Pero los investigadores pudieron observar patrones geométricos de orden superior generados por estas dinámicas celulares. “Entonces, dado el espacio de las celdas, el tamaño de las celdas, la forma de las celdas, sabemos que provienen de limitaciones mecánicas muy finas”, dijo el Dr. Dono.

Para extraer esta información geométrica del video del grillo, los doctores Dono y Hoffman rastrearon el núcleo paso a paso, midiendo la posición, la velocidad y la orientación.

“No es un proceso simple y termina involucrando muchas formas de visión por computadora y aprendizaje automático”, dijo el Dr. Hoffman, matemático aplicado que ahora trabaja en DeepMind en Londres.

También validaron manualmente los resultados del software, haciendo clic en 100 000 ubicaciones para vincular los linajes de los núcleos a través del espacio y el tiempo. El Dr. Hoffman lo encontró tedioso. El Dr. Donoughe lo ve como jugar un videojuego, “acercarse a gran velocidad en un pequeño universo dentro de un solo embrión, uniendo las pistas del viaje de cada núcleo”.

A continuación, desarrollaron un modelo computacional para probar y comparar hipótesis que podrían explicar el movimiento y la posición de los núcleos. Con todo, descartaron el flujo citoplasmático que el Dr. Di Talia vio en Drosophila. Refutan la idea de que el movimiento aleatorio y la física nuclear se alejan mutuamente.

En cambio, llegaron a una explicación plausible a través de otro mecanismo conocido establecido en Drosophila y embriones de lombrices intestinales: diminutos motores moleculares en el citoplasma extienden grupos de microtúbulos desde cada núcleo, de forma similar al dosel de un bosque.

El equipo propone que un tipo similar de fuerza molecular atraiga el núcleo del grillo hacia el espacio vacante. “Es probable que estas moléculas sean microtúbulos, pero no estamos seguros de eso”, dijo el Dr. Extavour en un correo electrónico. “Tendremos que hacer más experimentos en el futuro para averiguarlo”.

Ningún viaje de cricket estaría completo sin mencionar el “dispositivo de contracción de embriones” personalizado del Dr. Donoughe, que construyó para probar varias hipótesis. Reproduce una técnica antigua, pero está motivada por trabajos previos con el Dr. Extavour y otros sobre la evolución del tamaño y la forma de los huevos.

El dispositivo permitió al Dr. Donoughe realizar la tediosa tarea de envolver cabello humano alrededor de un huevo de grillo, creando dos regiones, una que contenía el núcleo de la protocélula y la otra un apéndice parcialmente arrancado.

Luego, los investigadores observaron nuevamente la orquestación nuclear. En la región primordial, una vez que se alcanza la densidad de hacinamiento, los núcleos se ralentizan. Pero cuando algunos de los núcleos se colaron a través de los túneles en la constricción, volvieron a tomar velocidad, relajados como caballos en pastos abiertos.

El Dr. Donoughe dijo que esta es la evidencia más fuerte de que el movimiento de los núcleos está controlado geométricamente y “no está gobernado por señales químicas globales, flujos o casi cualquier otra hipótesis que podría coordinar razonablemente el comportamiento de todo el embrión”.

Al final del estudio, el equipo había acumulado más de 40 terabytes de datos en 10 discos duros y refinó un modelo de geometría computacional que se agregó al conjunto de herramientas de Cricket.

“Queremos hacer que los embriones de grillo sean más versátiles en el laboratorio”, dijo el Dr. Extavour, lo que significa que son más útiles en el estudio de más aspectos de la biología.

El Dr. Extavour dijo que el modelo podría simular cualquier tamaño y forma de huevo, convirtiéndolo en un “campo de pruebas para otros embriones de insectos”. Señaló que esto haría posible comparar diferentes especies y explorar la historia evolutiva con mayor profundidad.

Pero todos los investigadores coinciden en que la mayor recompensa de esta investigación es el espíritu de colaboración.

“Hay un lugar y un momento para la experiencia”, dijo el Dr. Extavour. “Al igual que con el descubrimiento científico, debemos exponernos a personas que no están tan comprometidas como nosotros con ningún resultado en particular”.

El Dr. Extavour dijo que los matemáticos estaban haciendo preguntas “sin todo tipo de sesgos”. “Estas son las preguntas más emocionantes”.

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