En el año centenario de la publicación de un tratado seminal sobre los principios físicos y matemáticos que sustentan la naturaleza - Sobre crecimiento y forma por D'Arcy Wentworth Thompson - un físico de Cambridge ha dirigido un estudio que describe una solución elegante y simple para un rompecabezaseso ha gravado a los biólogos durante siglos: cómo surgen los patrones de ramificación complejos 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 garantizar que los organismos puedan intercambiar gases y fluidos con el medio ambiente de manera eficiente al maximizar la superficieárea disponible.
Por ejemplo, en el intestino delgado, el tejido epitelial está dispuesto en una serie de protuberancias similares a los dedos. En otros órganos, como los riñones, los pulmones, las glándulas mamarias, el páncreas y la próstata, las superficies de intercambio se empaquetan eficientemente alrededor de intrincadas estructuras epiteliales ramificadas.
"En la superficie, la cuestión de cómo crecen estas estructuras, estructuras que pueden contener hasta 30 o 40 generaciones de ramificación, parece increíblemente compleja", dice el profesor Ben Simons, quien dirigió el estudio, publicado hoy en eldiario Celda . El profesor Simons ocupa puestos en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge y en el Wellcome Trust / Cancer Research UK Gurdon Institute.
Este problema clásico de 'morfogénesis ramificada' ha atraído la atención de científicos y matemáticos durante siglos. De hecho, los fundamentos matemáticos de la morfogénesis, el proceso biológico que hace que los organismos desarrollen su forma, fue el tema de D'Arcy WentworthEl texto clásico de Thompson, publicado en 1917 por Cambridge University Press. Thompson había estudiado en Cambridge, estudiaba zoología en el Trinity College y trabajó brevemente como Junior Demonstrator in Physiology.
Durante el desarrollo, las estructuras de ramificación están orquestadas por células madre que impulsan un proceso de crecimiento y división ductal o 'bifurcación'. Cada ramificación posterior dejará de crecer o continuará ramificándose nuevamente. En un estudio publicado en Naturaleza a principios de este año, el profesor Simons que trabajó 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 una probabilidad casi igual.
"Si bien hay un proceso colectivo de toma de decisiones que involucra múltiples tipos diferentes de células madre, nuestro descubrimiento de que el crecimiento ocurre casi al lanzar una moneda sugiere que puede haber una regla muy simple que lo sustenta", dice el profesor Simons.
El profesor Simons y su colega, el Dr. Edouard Hannezo, observaron que las ramas se cruzaban muy poco: los conductos parecían expandirse para llenar el espacio, pero no se superponían. Esto los llevó a conjeturar que los conductos estaban creciendo y dividiéndose, pero comotan pronto como una punta tocara otra rama, se detendría.
"De esta manera, genera una red que llena el espacio perfectamente, con la organización estadística observada, a través de la instrucción local más simple: se ramifica y se detiene cuando se encuentra con un conducto en maduración", dice el Dr. Hannezo, un Sir Henry WellcomePostdoctoral Fellow con sede en el Instituto Gurdon. "Esto tiene enormes implicaciones para la biología básica. Le dice que las estructuras epiteliales ramificadas complejas se desarrollan como un proceso autoorganizado, que depende de una regla sorprendentemente simple, pero genérica, sin recurrir a una rígida, secuencia predeterminada de eventos genéticamente programados "
Aunque estas observaciones se basaron en el epitelio de la glándula mamaria, al utilizar datos primarios del Dr. Rosemary Sampogna en la Universidad de Columbia, la Profesora Anna Philpott en Cambridge y el Dr. Rakesh Heer en la Universidad de Newcastle, los investigadores pudieron demostrar que las mismas reglas gobernabandesarrollo embrionario del riñón de ratón, páncreas y próstata humana.
"En la glándula mamaria, tienes un centenar o más de células madre con restricción de destino que participan en este proceso de bifurcación-crecimiento-bifurcación, mientras que en el páncreas es solo un puñado; pero la dinámica básica es la misma", diceProfesor Simons: "El modelo es estéticamente bello, porque las reglas son muy simples y, sin embargo, pueden predecir los complejos patrones de ramificación de estas estructuras".
Los investigadores dicen que su descubrimiento puede ofrecer información sobre el desarrollo del cáncer de mama y de páncreas, donde las primeras etapas de la enfermedad a menudo muestran una organización irregular en forma de conducto ductal.
"Un siglo después de la publicación de On Growth and Form, es emocionante ver cómo los conceptos de autoorganización y emergencia continúan ofreciendo nuevas perspectivas sobre el desarrollo de sistemas biológicos, enmarcando nuevas preguntas sobre los mecanismos reguladores que operan en el celulary escala molecular ", agrega el profesor Simons.
Si bien puede ser demasiado pronto para determinar si se aplican reglas similares a otros tejidos y organismos ramificados, existen paralelos interesantes: la ramificación en los árboles parece seguir un patrón similar, por ejemplo, con ramas laterales creciendo y bifurcándose hasta que estén sombreadas ohasta que sean examinados por otra rama, en cuyo punto se detienen.
La investigación fue financiada por Wellcome Trust con el apoyo central adicional de Cancer Research UK y el Medical Research Council.
La Dra. Sheny Chen, del equipo de Ciencias Celulares y del Desarrollo de Wellcome, dijo: "Este es un estudio elegante que nos ayuda a comprender qué guía las decisiones que toman nuestras células durante los procesos de desarrollo esenciales. Es fascinante ver que reglas tan simples pueden gobernar la generaciónde patrones tan complejos y que estas reglas pueden aplicarse a diferentes estructuras ramificadas "
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