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CIENCIA

El origen de la forma

Por Adrián Báez Ortega*
6/ene/18 16:52 PM
eldia.es
Imagen de un cerebro humano (izquierda) junto a una simulación informática generada al reproducir las fuerzas físicas que actúan en la superficie del cerebro (derecha). (Fuente: Nature Physics 12, 588–593.)/



El cuerpo humano está compuesto de unos diez billones de células, más de cien veces el número de estrellas en la Vía Láctea. Estas células no son todas idénticas, sino que se clasifican en unos ciento cincuenta tipos: por ejemplo, las células de la piel, del ojo y del cerebro son notablemente distintas entre sí, tanto en función como en estructura. Incluso dentro de un mismo tejido existen decenas de tipos celulares, cada uno con un papel diferente. Es ciertamente difícil imaginar que tan inmensa organización de unidades especializadas pueda haber surgido de una sola célula: el cigoto fertilizado formado tras la fusión de un óvulo y un espermatozoide. En los primeros días de desarrollo embrionario, este cigoto se multiplica para dar lugar a una esfera recubierta de una sola capa de células idénticas, llamada blástula; poco después, ésta se transforma en la gástrula, una estructura más compleja compuesta de múltiples capas, cada una de las cuales contiene tipo de células distinto. Las capas de la gástrula se desarrollan luego en los diferentes tejidos y órganos del embrión.
Entender el proceso completo por el cual las diferentes partes de un organismo, cada una formada por células especializadas con roles y estructuras específicas, se originan a partir de un grupo de células no diferenciadas es sin duda una de las más fascinantes cuestiones científicas. El nombre técnico de este proceso es morfogénesis, del griego morpho, ‘forma’, y genesis, ‘origen’: el origen de la forma.
Puede resultar sorprendente que la primera descripción de un mecanismo asociado con la morfogénesis no tuviera lugar hasta mediados del siglo pasado. No debiera sorprendernos, sin embargo, que tal avance fuera el producto de la excepcional mente del matemático Alan Turing, más conocido como “el padre de la informática”. En un artículo publicado en 1952, dos años antes de su prematura muerte, Turing propuso un sistema de sustancias químicas, denominadas morfógenos, el cual era capaz de explicar cómo ciertos patrones morfológicos se originan en los seres vivos.
Turing describió el modo en que este sistema evoluciona en el tiempo mediante una serie de reacciones y difusiones químicas, la cual genera una distribución espacial específica de dos señales químicas diferentes, una de ellas fomentando el crecimiento del tejido y la otra suprimiéndolo. El resultado es un patrón de crecimiento diferencial, en el que unos grupos de células se multiplican más rápido que otros, llevando a la creación de una forma en el tejido. Increíblemente, Turing predijo algunos de estos patrones de crecimiento décadas antes de que pudieran ser observados en el laboratorio.
El término morfógeno aún se emplea hoy en día para referirse a aquellas sustancias o moléculas que participan en la morfogénsis. Hoy sabemos que la forma en que muchos morfógenos funcionan es mediante la regulación de la diferenciación celular, es decir, el proceso por el cual una célula de un tipo genérico se transforma en una de un tipo más especializado. En particular, una familia de proteínas conocidas como factores de transcripción es fundamental para el proceso de diferenciación celular. Los factores de transcripción interactúan con el ADN celular, siendo capaces de activar o desactivar genes en la célula. En algunos casos, estos genes regulan, a su vez, la activación de otros genes, dando lugar a una red reguladora genética. En consecuencia, la acción de unos pocos factores de transcripción, o incluso de uno solo, puede conllevar efectos drásticos para el destino de la célula; por ejemplo, mediante la determinación de propiedades tan importantes como la habilidad de adherirse a otras células. Esto es especialmente cierto durante la que es quizá la fase más crucial en el desarrollo embrionario: el proceso por el cual la gástrula se desarrolla a partir de la bástula, conocido como gastrulación. Para dar lugar a la estructura multicapa de la gástrula, las células que componen la bástula necesitan desactivar temporalmente, por medio de factores de transcripción específicos, su capacidad de adherirse a las células vecinas. Tras esto, las células se desplazan a sus nuevas posiciones en la gástrula, donde recuperan sus capacidades adhesivas.
Como el propio nombre indica, la morfogénesis no sólo incluye la diferenciación de las células y su organización en grupos de diferentes tipos celulares, sino también la creación de las formas biológicas que mantienen a los organismos vivos y en funcionamiento. Interesantemente, en este proceso no sólo participan sustancias químicas; la física juega también un papel fundamental en el proceso por el que los tejidos vivos, como el intestino o el cerebro, adquieren su forma característica. El intestino delgado humano, por ejemplo, es un tubo de entre cinco y once metros de longitud, que se pliega y enrolla en una forma concreta que le permite caber en la cavidad abdominal. Se ha demostrado que el patrón de bucles observado en el intestino en desarrollo de embriones de pollo puede recrearse por medio de las fuerzas físicas que se generan cuando un tubo semirrígido –en este caso, el propio intestino– aumenta de tamaño, mientras se encuentra sujeto a un material elástico cuyo tamaño no varía. En el caso del intestino, el papel de este material elástico corresponde al mesenterio, un tejido cuya función es anclar el intestino a la pared abdominal. Aunque este descubrimiento fue demostrado en su mayoría mediante simulaciones informáticas, una simple analogía física puede ser de ayuda: imaginemos una banda plana de goma elástica con un tubo de plástico flexible cosido a uno de sus bordes. Si este tubo comienza a aumentar de tamaño, mientras la banda de goma permanece igual, la forma resultante realmente coincide con la forma en que el intestino se halla plegado en los embriones de pollo. Esto sugiere que la forma del intestino es simplemente una consecuencia física del crecimiento que este órgano experimenta durante las primeras etapas de desarrollo.
Otro sorprendente ejemplo de la física subyacente a las formas orgánicas es el cerebro de los mamíferos. Dos de las principales regiones del mismo son la materia blanca, situada en el interior del cerebro, y la materia gris, la cual forma su capa más externa (el córtex). Ésta normalmente se pliega en un patrón característico de surcos curvados que inmediatamente asociamos con este órgano. Investigaciones recientes han demostrado que este patrón morfológico es el resultado de las tensiones físicas que se generan cuando una capa de material blando aumenta de tamaño, mientras permanece anclada a un núcleo formado por otro material blando cuyo tamaño no varía. Al estar sujeta al núcleo interno –en este caso, la materia blanca–, la capa externa –la materia gris– es incapaz de expandirse libremente en todas direcciones. En su lugar, una tensión compresiva se acumula en la capa externa, oponiéndose a su crecimiento; para minimizar tal tensión, el material debe plegarse drásticamente en largos y profundos surcos, los cuales reducen el estrés físico y permiten un aumento del volumen. Cuando este proceso es simulado en un ordenador, las estructuras resultantes son asombrosamente similares a la superficie del cerebro. Es más, al simular las proporciones de material blanca y gris observadas en distintas especies de mamíferos la forma de sus cerebros puede ser reproducida; por ejemplo, el cerebro de los ratones es mucho más liso que el de los humanos debido a que su proporción de materia gris es mucho más baja. La peculiar forma del cerebro humano parece ser, por tanto, la solución ofrecida por la física al problema de adquirir grandes volúmenes de materia gris.
Queda, ciertamente, mucho que aprender acerca de los mecanismos físicos y químicos que posibilitan el fenómeno de la morfogénesis; el inconcebiblemente complejo y maravillosamente coordinado proceso por el que un cigoto unicelular da lugar a un feto completamente formado sigue asombrándonos aun hoy en día. Desde los sutiles patrones de regulación genética hasta las interacciones químicas y físicas entre células y tejidos a lo largo del espacio y el tiempo, descifrar las bases matemáticas del origen de las formas orgánicas se contará siempre entre las más cautivadoras misiones de la ciencia.

Referencias:
–Turing, A.M. The chemical basis of morphogenesis. Philosophical Transactions of the Royal Society of London (1952).
–Wolpert, L. The triumph of the embryo (Courier Corporation, 2008).
–Savin, T., Kurpios, N.A., Shyer, A.E., Florescu, P., Liang, H., Mahadevan, L., Tabin, C.J. On the growth and form of the gut. Nature (2011).
–Tallinen, T., Biggins, J.S. Mechanics of invagination and folding: Hybridized instabilities when one soft tissue grows on another. Physical Review E (2015).
–Tallinen, T., Chung, J.Y., Rousseau, F., Girard, N., Lefèvre, J., Mahadevan, L. On the growth and form of cortical convolutions. Nature Physics (2016).

*Estudiante de doctorado y publica artículos de divulgación en su blog www.divulgatum.com)

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