Con las crecientes ventajas de la secuenciación de ADN, Los biólogos de la Universidad de Cincinnati están desentrañando muchos misterios evolutivos detrás del complejo mundo de la visión de las arañas.

Observar de cerca el misterioso modelo genético de cómo se desarrollaron y funcionan estos mirones ayuda a los investigadores a ver grandes oportunidades para la investigación futura. Los nuevos estudios podrían incluir terapias genéticas en humanos con problemas visuales como degeneración macular o cáncer de retina.

Para llegar a estas posibilidades, científicos como Nathan Morehouse, Profesor asistente de biología de la UC, Tuve que mirar hace 500 millones de años a una época llamada Período Cámbrico para poner en perspectiva la evolución de los genes del ojo de araña.

"Lo que encontramos es que pasamos de antiguos artrópodos acuáticos de cuerpo blando sin ojos, o al menos ojos que no se fosilizan bien, a ojos de repente que se parecen a los ojos que vemos hoy en insectos y animales terrestres, básicamente sin nada entre estas etapas, "dice Morehouse.

Y por "de repente, "Morehouse está hablando de un pequeño período evolutivo de 50 millones de años.

"Pero para el registro fósil, 50 millones de años es muy poco tiempo para pasar de no tener ojos a ojos como los que tenemos hoy, " él añade.

Mientras que las arañas e insectos primitivos llegaron a la tierra como dos grupos totalmente separados, es probable que hayan llevado consigo algunos de los mismos patrones de desarrollo para la construcción de sus ojos.

"Podemos utilizar nueva evidencia genética de insectos como punto de partida para identificar genes importantes que controlan el desarrollo de los ojos en las arañas". ", dice Morehouse." Esto entusiasmará a los biólogos araña ya las personas interesadas en la visión en general para que piensen en formas novedosas de construir una mejor visión. Aún no estamos allí en términos de soluciones de ingeniería para construir ojos orgánicos, pero espero que eso sea en nuestro futuro ".

Morehouse presentó sus hallazgos sobre la genética del desarrollo de la visión de las arañas en la Conferencia de la Sociedad de Biología Integrativa y Comparativa 2018 en San Francisco en enero.

Esta investigación también es parte de un proyecto más amplio publicado recientemente en la revista The Boletín biológico , titulado "Evolución molecular de la visión de araña:nuevas oportunidades, Jugadores familiares, "por Morehouse; Elke Buschbeck, Profesor de biología de la UC; Daniel Zurek, becario postdoctoral en el departamento de biología de la UC e investigadores de la Universidad de Hawaii en Manoa.

Previsión de fantasía

Este estudio colaborativo ayuda a describir los fundamentos de cómo las arañas evolucionaron desde un antiguo artrópodo con un ojo compuesto con muchas facetas (las unidades sensibles a la luz de forma hexagonal que componen un ojo compuesto) hasta múltiples ojos con solo unas pocas facetas.

Una de las formas en que lo hacen los investigadores dicen, es tomar un montón de facetas o células visuales y simplemente fusionar una lente en la parte superior. La otra es tomar una sola faceta y simplemente agrandarla y luego agregar más células sensibles a la luz hacia abajo durante el desarrollo embrionario.

"Creemos que durante el período Cámbrico, hace más de 500 millones de años, Los artrópodos antiguos tenían dos grandes ojos compuestos algo similares a las moscas de la fruta modernas, "dice Buschbeck." Pero en algún momento y momento evolutivo de las arañas, el ojo compuesto probablemente se dividió en un par de ojos medial o central en la parte delantera y un par de ojos compuestos laterales que se encuentran a los lados de la cabeza. Pero según la evidencia que descubrimos, es posible que hayan conservado la antigua red de genes para construirlos ".

Si bien se sabe que los insectos y las arañas evolucionaron al mismo tiempo durante el Período Cámbrico, Morehouse dice que terminaron en lugares totalmente diferentes. Utilizaron el mismo conjunto de herramientas básicas para construir sus ojos, pero los detalles precisos de los genes son ligeramente diferentes.

"Años de cuidadosa genética del desarrollo nos han demostrado cómo las moscas de la fruta construyen sus ojos compuestos y ojos mediales, u ocelos, a partir de redes de genes que interactúan. ", dice Morehouse." De modo que analizamos si esos genes desempeñan exactamente el mismo papel en las arañas o si los roles cambiaron. ¡Y en las arañas encontramos el mismo plano todavía allí, al menos en una copia aproximada! "

Plano visual

Este fenómeno también presenta una consecuencia crítica para las criaturas en miniatura de ocho ojos, ya que Morehouse dice que no pueden agregar más células fotorreceptoras a su retina una vez que se coloca la lente en la parte superior. Después de observar más de cerca las células de la retina en desarrollo, los investigadores encontraron que las arañas construyen sus ojos como pequeños embriones completos con todas las células de la retina que alguna vez necesitarán y luego colocan la lente en la parte superior.

Entonces, ¿cómo resuelven el problema de tener una gran cantidad de células retinianas apretadas en una cabeza de una décima parte del tamaño de una araña adulta?

Resulta que las células densamente empaquetadas tienen más píxeles pequeños de los que su lente realmente puede resolver, lo que da como resultado un muestreo del mismo punto en el espacio muchas veces en lugar de una. Pero es posible que los diminutos octópodos tengan que realizar trucos ópticos inusuales para procesar su visión borrosa. Esta no es la forma más "inteligente" de diseñar un ojo, dicen los investigadores. Los diseñadores de cámaras intentan hacer coincidir la resolución del sensor de la cámara con el poder de resolución de la lente.

"Una de las ideas más fascinantes aquí es que debido a que entendemos la base genética de cómo construyen estos ojos, podemos entender por qué hacen cosas como poner todas estas células de la retina en este pequeño animal, "dice Morehouse." Lo que parece una idea tonta desde un punto de vista estrictamente visual resulta ser parte del plano de ese artrópodo de 500 millones de años ".

Se necesita una investigación básica como esta para comprender el intrincado desarrollo genético, pero los investigadores dicen que abre algunas oportunidades realmente interesantes para la biotecnología futura.

Bebés con ojos saltones

"Nunca hubiéramos contado la cantidad de células de la retina en estos pequeños juveniles si no hubiéramos sospechado esto desde el principio, " él añade.

A pesar de la desventaja de tamaño y el hacinamiento de celdas, Los investigadores encuentran que los jóvenes hacen muchas de las cosas sofisticadas que pueden hacer sus hermanos mayores, como descifrar entre diferentes tipos de presas, como un mosquito o una mosca.

Si bien Morehouse describe esta investigación como las etapas iniciales para comprender las ventajas y desventajas de construir ojos de esta manera, ve grandes oportunidades para imitar pequeños sistemas visuales para producir sensores más pequeños que los que se usan habitualmente en la actualidad.

"Si tenemos que construir una lente para que sea pequeña, más pequeño que cualquier sensor en este momento y lo suficientemente pequeño como para tragarlo fácilmente como una pastilla para el trabajo endoscópico, es posible que estas arañas puedan conducir a biotecnologías que nunca imaginamos, "dice Morehouse.

"Estas arañas han hecho algunas cosas realmente inteligentes con sus lentes, la forma de sus retinas y el tamaño de sus células retinianas que les ayudan a superar desafíos increíbles ".

Otros hallazgos sorprendentes revelaron patrones únicos de muerte de células retinianas en arañas jóvenes. Cuando las células de la retina mueren, es mucho más probable que mueran en el centro de la retina que en la periferia. lo que, según los investigadores, es exactamente lo que sucede en los seres humanos con la edad y el problema de la degeneración macular.

"Debido a que vemos este tipo de cambios en las arañas saltarinas cuando se alimentan con dietas pobres, podríamos descubrir cosas que nos ayuden a comprender mejor la degeneración macular y otros problemas centrados en el ser humano, "dice Morehouse y Buschbeck.

Visión de araña en Marte

Si bien este proyecto todavía se considera ciencia básica, Morehouse explica que la ciencia básica está limitada únicamente por la creatividad de la naturaleza.

Señala al Mars Rover como un ejemplo del uso de ópticas que se inspiraron en la visión de una araña saltarina. Investigaciones anteriores revelaron cómo las arañas saltarinas logran una mejor agudeza con un pequeño sistema visual moviendo el sensor detrás de su lente. Esto inspiró a la NASA a construir un sensor para el Rover que se mueve detrás de las lentes de su cámara. ahora proporcionando mejores imágenes en Marte.

"Lo que hemos hecho aquí es utilizar información sobre la historia antigua de las arañas para buscar genes que participen en la visión y hemos descubierto que muchas de nuestras conjeturas fundamentadas son correctas, ", dice Morehouse." Hay similitudes genéticas en los insectos que también se utilizan de manera predecible en las arañas. Esto abre todo un nuevo trabajo para comprender cómo la visión de araña, aunque único, podría ser similar o diferente a lo que conocemos de la visión de los mamíferos como la nuestra.

"De hecho, hay conocimientos que provienen del trabajo con moscas de la fruta que han ayudado a la salud humana, por lo que es muy posible que lo próximo que aprendamos sobre la visión humana provenga de las arañas".