Un modelo matemático desarrollado por investigadores de la Universidad de Brown arroja nueva luz sobre cómo el pez cebra obtiene sus rayas icónicas. El modelo ayuda a demostrar cómo dos procesos dinámicos: el movimiento de las células pigmentarias a través de la piel y el nacimiento y la muerte de las células comoel pez crece: combine para mantener las rayas del pez cebra en línea.
El modelo se describe en el Journal of the Royal Society interfaz .
El pez cebra se ha convertido en un organismo modelo bastante popular para los investigadores de biología en las últimas décadas. Los pequeños peces de agua dulce comienzan la vida como embriones transparentes y se desarrollan en unos pocos meses a tamaño completo, dando a los científicos la oportunidad de observar su desarrollo en detalle.La aparición de sus franjas homónimas de azul oscuro y amarillo brillante ha sido objeto de mucha investigación. Se ha demostrado que las franjas son el resultado de la interacción entre tres tipos de células de pigmento: melanóforos negros, xantóforos amarillos e iridóforos plateados.
"El patrón de rayas se forma dinámicamente a medida que el pez se desarrolla", dijo Alexandria Volkening, estudiante de posgrado y División de Matemáticas Aplicadas de Brown y autora principal del nuevo artículo. "No es como si estas células de pigmento estuvieran llenando algún tipo de prepatterneso ya está ahí. Son las interacciones de las células a lo largo del tiempo lo que hace que se formen los patrones. Queríamos construir un modelo que simule esto basado lo más posible en lo que se sabe sobre la biología ".
El modelo desarrollado por Volkening trata las células como agentes individuales, comportándose de acuerdo con un conjunto de reglas derivadas de los experimentos. Incorpora directamente dos tipos de células: los melanóforos negros y los xantóforos amarillos. Los efectos del tercer tipo de células, los iridóforos,están implícitos en el comportamiento de las otras dos células, aunque los iridóforos en sí mismos no están físicamente incluidos en el modelo.
El modelo comienza con melanóforos y xantóforos dispuestos de una manera que imita la disposición de las células en los peces de unas pocas semanas de edad. El dominio del modelo luego crece de una manera que se aproxima al crecimiento de los peces. A medida que el dominio crece, nuevas célulasse agregan que imitan las células madre de las cuales se derivan los pigmentos en peces reales. Las células madre toman señales sobre el tipo de célula que se convertirá de las células pigmentarias existentes. Estas señales provienen tanto de las células cercanas como de las células más alejadas.Los experimentos en peces reales han sugerido que es importante la comunicación a corta y larga distancia. En el modelo, si una nueva célula madre está rodeada de células negras y las regiones adyacentes de la franja en desarrollo son amarillas, tiene muchas más posibilidades de convertirse en uncélula oscura en sí. Lo mismo ocurre con las células amarillas. La muerte celular está controlada por un mecanismo similar. Una célula negra rodeada por todos lados por células claras o sin suficientes células amarillas en las regiones adyacentes de la franja tiene un nivel mucho más alto.probabilidad de morir
Los experimentos han demostrado que las células de pigmento también tienen la capacidad de moverse distancias cortas a través de la piel del pez, y el modelo también captura esa dinámica. Se cree que los pigmentos se mueven de acuerdo con las señales comunicadas desde las células circundantes. En el modelo, todoslas células se repelen entre sí, pero los diferentes tipos de células tienen una repulsión más fuerte que las células similares. Las señales de movimiento se obtienen de las células que rodean inmediatamente a una célula de pigmento.
Utilizando estas reglas durante el período de crecimiento normal de un pez real, el modelo pudo recrear con éxito el desarrollo de rayas como se observa en los experimentos. También fue capaz de recrear los resultados de una variedad de experimentos que los biólogos han hecho para perturbar la formación de rayasPor ejemplo, los científicos han extirpado las células de pigmento al principio del desarrollo de un pez para ver cómo afectaría el desarrollo de la franja. Esos experimentos mostraron que cuando las células son eliminadas, los peces forman manchas oblongas en lugar de rayas a medida que continúan desarrollándose. El modelo fuecapaz de recrear esos efectos.
Una vez que tenían un modelo que podía reconstruir experimentos reales, los investigadores podían probar cómo las diferentes dinámicas celulares influyen en el crecimiento de la franja.
"Una cosa que no está clara es el papel del nacimiento y la muerte versus el movimiento. ¿Necesitas ambos o solo uno?", Dijo Bjorn Sandstede, presidente de la División de Matemáticas Aplicadas de Brown y coautor del artículo.lo que podemos hacer en el modelo es apagar uno de los dos y ver qué obtenemos "
Con el movimiento apagado, el modelo mostró que las células formaron gotas oblongas sin una orientación particular. Con el nacimiento y la muerte apagados, como las células formaron puntos apretados en lugar de rayas. En conjunto, los resultados ayudan a confirmar la dinámica interdependiente dedos procesos en el desarrollo del patrón de rayas.
Sandstede dice que las simulaciones como estas son importantes porque ofrecen una ventana sobre cómo los patrones y estructuras complejas se forman dinámicamente en la naturaleza ". Si observa cualquier tipo de organismo, comienzan con ovocitos, que son estructuras redondeadas con poca diferenciación espacial entodo, y terminas con organismos como nosotros que tienen una estructura espacial compleja ", dijo." Creo que es importante tratar de entender cómo se produce la diferenciación espacial. El pez cebra y sus rayas son un buen modelo para hacerlo porque puedes identificarlas diferentes celdas y lo que están haciendo en el proceso "
Volkening dice que planea continuar refinando el modelo para capturar mejor los efectos de los iridóforos que no se incluyeron directamente en el modelo actual. Espera que el modelo pueda servir como guía para futuros experimentos en peces reales.
"Uno de los beneficios de los modelos es que podemos hacer esto en seis minutos", dijo. "Se necesitan semanas para cultivar los peces", dijo Volkening.
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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