En "Juego de tronos", un cuervo de tres ojos guarda los secretos del pasado, presente y futuro en un vasto reino de fantasía. Pero para los biólogos del mundo real, un "escarabajo de tres ojos" puede ofrecer una verdadera visión deEl futuro del estudio del desarrollo evolutivo.
Usando una herramienta genética simple, los científicos de IU han desarrollado intencionalmente un ojo extra completamente funcional en el centro de la frente del escarabajo común. Desentrañar los mecanismos biológicos detrás de esta ocurrencia podría ayudar a los investigadores a comprender cómo la evolución se basa en el desarrollo y la genética preexistentes"bloques de construcción" para crear rasgos complejos novedosos, o rasgos "antiguos" en lugares novedosos.
Los resultados del estudio aparecen en el diario de la Actas de la Academia Nacional de Ciencias . El trabajo también proporciona información más profunda sobre un experimento anterior que accidentalmente produjo un ojo extra como parte de un estudio para comprender cómo se desarrolla la cabeza del insecto.
"La biología del desarrollo es bellamente compleja en parte porque no hay un solo gen para un ojo, un cerebro, el ala de una mariposa o el caparazón de una tortuga", dijo Armin P. Moczek, profesor del Departamento de Artes y Ciencias de la Facultad de Artes y Ciencias de Bloomington de IUof Biology ". En cambio, miles de genes individuales y docenas de procesos de desarrollo se unen para permitir la formación de cada uno de estos rasgos.
"También hemos aprendido que desarrollar un rasgo físico novedoso es muy parecido a construir una estructura novedosa a partir de Legos, reutilizando y recombinando genes 'viejos' y procesos de desarrollo dentro de nuevos contextos".
Como consecuencia, la evolución de nuevas características a menudo requiere muchos menos cambios genéticos de lo que los biólogos pensaron originalmente.
Pero a diferencia de reorganizar y combinar ladrillos de plástico de juguete para formar una nueva estructura, Moczek dijo que no está claro qué mecanismos biológicos guían la construcción de nuevos rasgos físicos en algunas circunstancias, pero no en otras.
"Puedes hacer cosas nuevas una y otra vez o en lugares nuevos usando el mismo conjunto de 'ladrillos'", dijo. "Pero en Legos, conocemos las reglas de ensamblaje: qué piezas van juntas y cuáles no"t. En biología, todavía nos cuesta entender a las contrapartes respectivas ".
Una de las formas en que los científicos han tratado de obtener una visión más clara de este proceso es mediante la persuasión del crecimiento de los órganos "ectópicos" u órganos que se forman en la parte incorrecta del cuerpo. El trabajo inicial en el campo se ha centrado enla formación de ojos de mosca de la fruta en el lugar equivocado, como en el ala o la pierna. Sin embargo, estos experimentos requirieron la activación de genes reguladores importantes en la nueva ubicación, una técnica que se limita a solo unos pocos organismos de estudio.nunca fueron completamente funcionales.
Por el contrario, el nuevo estudio dirigido por IU informa sobre la formación de un ojo funcional adicional, técnicamente, una "fusión" de dos conjuntos de ojos adicionales, luego de la eliminación de un solo gen, una técnica ampliamente disponible para los científicosen la mayoría de los organismos. La formación inesperada de un ojo complejo y funcional en una ubicación novedosa en el proceso es "un ejemplo notable de la capacidad de los sistemas de desarrollo para canalizar perturbaciones masivas hacia resultados funcionales y ordenados", dijo Moczek.
Para crear un ojo completamente funcional en el centro de la cabeza de un escarabajo, el equipo de Moczek desactivó un gen único llamado ortodentícula, u odt, que su investigación ha demostrado que desempeña un papel en la formación de la cabeza durante el desarrollo.
"Este estudio altera experimentalmente la función de un solo gen principal", dijo Moczek. "Y, en respuesta a esta interrupción, el resto del desarrollo de la cabeza se reorganiza para producir un rasgo altamente complejo en un nuevo lugar: un ojo compuestoen el medio de la cabeza.
"Además, ¡la maldita cosa realmente funciona!"
Para confirmar que el ojo era un ojo extra verdadero, el equipo de IU realizó múltiples pruebas para demostrar que la estructura tenía los mismos tipos de células, expresó los mismos genes, desarrolló conexiones nerviosas adecuadas y provocó la misma respuesta de comportamiento que un ojo normal.Los resultados tan emocionantes, más allá de la novedad de Frankenstein del ojo, es la técnica genética relativamente simple utilizada para lograr la eliminación de genes, dijo el investigador postdoctoral de IU Eduardo E. Zattara, autor principal del estudio.
Moczek dijo que los hallazgos también van más allá de esta aplicación para ayudar a abordar cuestiones fundamentales en el desarrollo, la evolución y la medicina. Por ejemplo, comprender cómo los órganos complejos organizan su crecimiento e integración en el cuerpo son desafíos centrales que las ciencias médicas deben superar para desarrollar órganos artificiales parainvestigación y trasplante.
"El uso de ojos ectópicos es un paradigma muy accesible para estudiar todo esto, en muchos tipos de organismos", dijo Zattara. "Consideramos que este estudio realmente abre la puerta a nuevas vías de investigación en múltiples disciplinas".
Los autores adicionales del estudio son Anna LM Macagno, investigadora asociada, y Hannah A. Busey, estudiante de pregrado, en el Departamento de Biología de IU Bloomington.
Este estudio fue apoyado en parte por la National Science Foundation.
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Materiales proporcionado por Universidad de Indiana . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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