A medida que se desarrollan los embriones, siguen patrones predeterminados de plegado de tejidos, de modo que los individuos de la misma especie terminan con órganos de forma casi idéntica y formas corporales muy similares.

Los científicos del MIT han descubierto ahora una característica clave del tejido embrionario que ayuda a explicar cómo este proceso se lleva a cabo con tanta fidelidad cada vez. En un estudio de moscas de la fruta, encontraron que la reproducibilidad del plegamiento de tejidos es generada por una red de proteínas que se conectan como una red de pesca, creando muchas vías alternativas que los tejidos pueden usar para plegarse de la manera correcta.

"Lo que encontramos es que hay mucha redundancia en la red, "dice Adam Martin, profesor asociado de biología del MIT y autor principal del estudio. "Las células interactúan y se conectan entre sí de forma mecánica, pero no ves que las células individuales asuman un papel tan importante. Esto significa que si una celda se daña, otras células aún pueden conectarse a partes dispares del tejido ".

Para descubrir estas funciones de red, Martin trabajó con Jörn Dunkel, profesor asociado de matemáticas aplicadas físicas del MIT y autor del artículo, aplicar un algoritmo normalmente utilizado por los astrónomos para estudiar la estructura de las galaxias.

Hannah Yevick, un postdoctorado del MIT, es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Célula de desarrollo . El estudiante de posgrado Pearson Miller también es autor del artículo.

Una red de seguridad

Durante el desarrollo embrionario, los tejidos cambian de forma a través de un proceso conocido como morfogénesis. Una forma importante en que los tejidos cambian de forma es doblarse, que permite que láminas planas de células embrionarias se conviertan en tubos y otras formas importantes para órganos y otras partes del cuerpo. Estudios previos en moscas de la fruta han demostrado que incluso cuando algunas de estas células embrionarias están dañadas, las hojas todavía se pueden doblar en sus formas correctas.

"Este es un proceso que es bastante reproducible, por eso queríamos saber qué lo hace tan robusto, "Dice 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, y otros procesos morfogenéticos similares al plegado del tejido de la mosca de la fruta, también ocurren en embriones humanos. Las células embrionarias involucradas en la gastrulación contienen en su citoplasma proteínas llamadas miosina y actina, que forman cables y se conectan en las uniones entre las células para formar una red a través 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 del tejido, pero hasta ahora no había una buena forma de rastrear las conexiones de la red.

Para lograr eso, El laboratorio de Martin unió fuerzas con Dunkel, que estudia la física de superficies blandas y materia fluida, por ejemplo, formación de arrugas y patrones de flujo bacteriano. Para este estudio, Dunkel tuvo la idea de aplicar un procedimiento matemático que puede identificar características topológicas de una estructura tridimensional, análogo a las crestas y los valles en 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 través y entre las células en una hoja de tejido.

"Una vez que tenga la red, puede aplicar métodos estándar del análisis de red, el mismo tipo de análisis que aplicaría a las calles u otras redes de transporte, o la red de circulación sanguínea, o cualquier otra forma de red, "Dunkel dice.

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 pregunta importante es qué tan bien se adapta una red si parte de ella se daña o se bloquea. 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 incorporada es análoga a un buen sistema de transporte público, donde si se cae una línea de autobús o tren, todavía puede llegar a su destino. Debido a 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 están dañadas.

"Si tú y yo estamos sosteniendo una sola cuerda, y luego lo cortamos por la mitad, se vendría abajo. Pero si tienes una red y cortarlo en algunos lugares, todavía permanece conectado globalmente y puede transmitir fuerzas, siempre y cuando no lo cortes todo, "Dunkel dice.

Marco plegable

Los investigadores también encontraron que las conexiones entre las células se organizan preferentemente para correr en la misma dirección que el surco que se forma en las primeras etapas del plegado.

"Creemos que esto está configurando un marco alrededor del cual el tejido adoptará su forma, ", Dice Martin." Si evita la direccionalidad de las conexiones, entonces, lo que sucede es que aún se puede doblar, pero se doblará a lo largo del eje incorrecto ".

Although this study was done in fruit flies, similar folding occurs in vertebrates (including humans) during the formation of the neural tube, which is the precursor to the brain and spinal cord. Martin now plans to apply the techniques he used in fruit flies to see if the actomyosin network is organized the same way in the neural tube of mice. Defects in the closure of the neural tube can lead to birth defects such as spina bifida.

"We would like to understand how it goes wrong, " Martin says. "It's still not clear whether it's the sealing up of the tube that's problematic or whether there are defects in the folding process."