En el año del centenario de la publicación de un tratado seminal sobre los principios físicos y matemáticos que sustentan la naturaleza, On Growth and Form de D'Arcy Wentworth Thompson, un físico de Cambridge ha dirigido un estudio que describe una solución elegantemente simple a un rompecabezas que ha agobiado a los biólogos. durante siglos:cómo surgen los complejos patrones de ramificación de los tejidos.

Los patrones de ramificación ocurren en toda la naturaleza:en árboles, helechos y corales, por ejemplo, pero también a una escala mucho más fina, donde son esenciales para asegurar que los organismos puedan intercambiar gases y fluidos con el medio ambiente de manera eficiente maximizando la superficie disponible.

Por ejemplo, en el intestino delgado, El tejido epitelial está dispuesto en una serie de protuberancias en forma de dedos. En otros órganos, como riñón, pulmón, Glándulas mamárias, páncreas y próstata, las superficies de intercambio se empaquetan de manera eficiente alrededor de estructuras epiteliales ramificadas intrincadas.

"En la superficie, la cuestión de cómo crecen estas estructuras (estructuras que pueden contener hasta 30 o 40 generaciones de ramificaciones) parece increíblemente compleja, "dice el profesor Ben Simons, quien dirigió el estudio, publicado hoy en la revista Celda . El profesor Simons ocupa puestos en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge y en el Instituto Gurdon de Wellcome Trust / Cancer Research UK.

Este problema clásico de la "morfogénesis ramificada" ha atraído la atención de científicos y matemáticos durante siglos. En efecto, Los fundamentos matemáticos de la morfogénesis, el proceso biológico que hace que los organismos desarrollen su forma, fue el tema del texto clásico de D'Arcy Wentworth Thompson, publicado en 1917 por Cambridge University Press. Thompson había sido estudiante en Cambridge, estudiando zoología en el Trinity College, y trabajó brevemente como Demostrador Junior en Fisiología.

Durante el desarrollo, Las estructuras ramificadas están orquestadas por células madre que impulsan un proceso de crecimiento y división ductal (o "bifurcación"). Cada rama subsiguiente dejará de crecer, o continuar con la ramificación de nuevo. En un estudio publicado en Naturaleza a principios de este año, El profesor Simons, que trabaja en colaboración con el Dr. Jacco van Rheenen en el Instituto Hubrecht en Utrecht, demostró que, en la glándula mamaria, estos procesos de división y terminación ocurren al azar, pero con casi la misma probabilidad.

"Si bien existe un proceso colectivo de toma de decisiones que involucra a varios tipos diferentes de células madre, Nuestro descubrimiento de que el crecimiento ocurre casi con el lanzamiento de una moneda sugirió que puede haber una regla muy simple que lo respalde, "dice el profesor Simons.

El profesor Simons y su colega, el Dr. Edouard Hannezo, observaron que había muy poco cruce de las ramas:los conductos parecían expandirse para llenar el espacio, pero no se superponen. Esto los llevó a conjeturar que los conductos estaban creciendo y dividiéndose, pero en cuanto una punta tocó otra rama, se detendría.

"De este modo, generas una red que llena el espacio a la perfección, precisamente con la organización estadística observada, a través de la instrucción local más simple:se bifurca y se detiene cuando se encuentra con un conducto de maduración, "dice el Dr. Hannezo, un becario postdoctoral Sir Henry Wellcome con base en el Instituto Gurdon. "Esto tiene enormes implicaciones para la biología básica. Te dice que las estructuras epiteliales ramificadas complejas se desarrollan como un proceso autoorganizado, dependiente de un sorprendentemente simple, pero genérico, regla, sin recurrir a un rígido, secuencia predeterminada de eventos genéticamente programados ".

Although these observations were based on the mammary gland epithelium, by using primary data from Dr Rosemary Sampogna at Columbia University, Professor Anna Philpott in Cambridge and Dr Rakesh Heer at Newcastle University, the researchers were able to show that the same rules governed the embryonic development of the mouse kidney, pancreas and human prostate.

"In the mammary gland, you have a hundred or more fate-restricted stem-like cells participating in this bifurcation-growth-bifurcation process, whereas in the pancreas it's just a handful; but the basic dynamics are the same, " says Professor Simons. "The model is aesthetically beautiful, because the rules are so simple and yet they are able to predict the complex branching patterns of these structures."

The researchers say their discovery may offer insights into the development of breast and pancreatic cancer, where the earliest stages of the disease often show an irregular tangled ductal-like organisation.

"A century after the publication of On Growth and Form, it's exciting to see how the concepts of self-organisation and emergence continue to offer fresh perspectives on the development of biological systems, framing new questions about the regulatory mechanisms operating at the cellular and molecular scale, " Professor Simons adds.

While it may be too early to tell whether similar rules apply to other branched tissues and organisms, there are interesting parallels:branching in trees appears to follow a similar pattern, por ejemplo, with side branches growing and bifurcating until they are shaded or until they are screened by another branch, at which point they stop.

The research was funded by the Wellcome Trust with additional core support from Cancer Research UK and the Medical Research Council.

Dr Sheny Chen from Wellcome's Cellular and Developmental Science team, said:"This is an elegant study that helps us to understand what guides the decisions our cells make during essential developmental processes. It's fascinating to see that such simple rules can govern the generation of such highly complex patterns and that these rules can apply to different branched structures."