En "Juego de tronos, "un cuervo de tres ojos guarda los secretos del pasado, presente y futuro en un vasto reino de fantasía. Pero para los biólogos del mundo real, un "escarabajo de tres ojos" puede ofrecer una verdadera visión del futuro del estudio del desarrollo evolutivo.

Usando una herramienta genética simple, Los científicos de IU han cultivado intencionalmente un ojo adicional completamente funcional en el centro de la frente del escarabajo común. Desentrañar los mecanismos biológicos detrás de esta ocurrencia podría ayudar a los investigadores a comprender cómo la evolución se basa en "bloques de construcción" genéticos y de desarrollo preexistentes para crear nuevos rasgos complejos. o rasgos "antiguos" en lugares novedosos.

Los resultados del estudio aparecen en la revista del procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . El trabajo también proporciona información más profunda sobre un experimento anterior que produjo accidentalmente un ojo adicional como parte de un estudio para comprender cómo se desarrolla la cabeza del insecto.

"La biología del desarrollo es maravillosamente compleja en parte porque no existe un gen único para un ojo, un cerebro, el ala de una mariposa o el caparazón de una tortuga, "dijo Armin P. Moczek, profesor del Departamento de Biología de la Facultad de Artes y Ciencias de IU Bloomington. "En lugar de, miles de genes individuales y docenas de procesos de desarrollo se unen para permitir la formación de cada uno de estos rasgos.

"También hemos aprendido que desarrollar un rasgo físico novedoso es muy parecido a construir una estructura novedosa a partir de Legos, reutilizando y recombinando genes y procesos de desarrollo 'antiguos' en contextos nuevos ".

Como consecuencia, la evolución de características novedosas a menudo requiere muchos menos cambios genéticos de lo que pensaban originalmente los biólogos.

Pero a diferencia de reorganizar y combinar ladrillos de plástico de juguete para formar una nueva estructura, Moczek dijo que no está claro qué mecanismos biológicos guían la construcción de nuevos rasgos físicos en algunas circunstancias, pero no en otras.

"Puedes hacer cosas nuevas una y otra vez o en lugares nuevos con el mismo conjunto de 'ladrillos, '", dijo." Pero en Legos, conocemos las reglas de montaje:qué piezas van juntas y cuáles no. En biología, todavía nos cuesta entender a las respectivas contrapartes ".

Una de las formas en que los científicos han buscado obtener una visión más clara de este proceso es persuadiendo el crecimiento de órganos "ectópicos", u órganos que se forman en la parte incorrecta del cuerpo. El trabajo inicial en el campo se ha centrado en la formación de ojos de mosca de la fruta en el lugar equivocado, como en el ala o la pierna. Sin embargo, estos experimentos requirieron la activación de los principales genes reguladores en la nueva ubicación, una técnica que se limita a unos pocos organismos de estudio. Los "ojos" resultantes tampoco fueron nunca completamente funcionales.

Por el contrario, el nuevo estudio dirigido por IU informa sobre la formación de un ojo funcional adicional, técnicamente, una "fusión" de dos pares de ojos adicionales, después de la caída de un solo gen, una técnica ampliamente disponible para los científicos en la mayoría de los organismos. La inesperada formación de un complejo, El ojo funcional en una ubicación novedosa en el proceso es "un ejemplo notable de la capacidad de los sistemas de desarrollo para canalizar perturbaciones masivas hacia resultados funcionales y ordenados, "Dijo Moczek.

Para crear un ojo completamente funcional en el centro de la cabeza de un escarabajo, El equipo de Moczek desactivó un solo gen llamado ortodentícula, o odt, que su investigación ha demostrado previamente que juega un papel en la instrucción de la formación de la cabeza durante el desarrollo.

"Este estudio interrumpe experimentalmente la función de un solo, gen principal, "Moczek dijo." Y, en respuesta a esta interrupción, el resto del desarrollo de la cabeza se reorganiza para producir un rasgo muy complejo en un nuevo lugar:un ojo compuesto en el medio de la cabeza.

"Es más, ¡la maldita cosa realmente funciona! "

Para confirmar que el ojo era un verdadero ojo extra, el equipo de IU realizó múltiples pruebas para demostrar que la estructura tenía los mismos tipos de células, expresó los mismos genes, desarrolló conexiones nerviosas adecuadas y provocó la misma respuesta conductual que un ojo normal. Lo que hace que los resultados sean tan emocionantes, más allá de la novedad de Frankenstein del ojo, es la técnica genética relativamente simple utilizada para lograr la eliminación de genes, dijo el investigador postdoctoral de IU Eduardo E. Zattara, quien es el autor principal del estudio.

Moczek dijo que los hallazgos también van más allá de esta aplicación para ayudar a abordar preguntas fundamentales en el desarrollo, evolución y medicina. Por ejemplo, comprender cómo los órganos complejos organizan su crecimiento e integración en el cuerpo son desafíos centrales que las ciencias médicas deben superar para desarrollar órganos artificiales para la investigación y el trasplante.

"El uso de ojos ectópicos es un paradigma muy accesible para estudiar todo esto, en muchos tipos de organismos, "Consideramos que este estudio realmente abre la puerta a nuevas vías de investigación en múltiples disciplinas", dijo Zattara.