La biología está plagada de ejemplos de comportamiento colectivo, desde bandadas de pájaros y colonias de bacterias hasta bancos de peces y multitudes de personas. En un estudio con implicaciones desde la oncología hasta la ecología, investigadores de la Universidad de Rice y la Universidad de Georgia han demostrado quela ciencia de datos puede revelar pistas sutiles sobre los orígenes individuales del comportamiento colectivo.
Cuando un grupo de personas se mueven en sincronía, pueden crear patrones, como la bandada de pájaros o "la ola" en un estadio deportivo, que ningún individuo podría hacer. Si bien estos comportamientos emergentes pueden ser fascinantes, puedenserá difícil para los científicos concentrarse en las acciones individuales que los generan.
"Ves comportamientos emergentes al mirar al grupo en lugar de al individuo", dijo el bioingeniero de Rice Oleg Igoshin, un biofísico teórico que ha pasado casi 20 años estudiando el comportamiento emergente en las células, ya sean bacterias cooperativas, células cancerosas u otros.
En un estudio publicado en línea esta semana en la revista American Society for Microbiology mSystems , el ex alumno de Igoshin y Rice, Zhaoyang Zhang, desarrolló un método para evaluar qué aspectos del comportamiento individual dan lugar al comportamiento emergente.
Para ilustrar tanto la dificultad como la importancia de comprender estas contribuciones individuales al grupo colectivo, Igoshin utiliza el ejemplo del cáncer metastásico, donde un grupo de células con una mutación particular se mueve hacia la superficie de un tumor para que puedan separarsey formar un nuevo tumor en otra parte.
"La mayoría de estas células no logran escapar del tumor original, y la pregunta es, ¿qué determina cuáles tendrán éxito?", Preguntó Igoshin, profesor de bioingeniería y científico principal del Centro de Física Biológica Teórica de Rice. "¿Qué propiedad es un¿señal de emergencia? ¿Es qué tan rápido se mueven? ¿Cuánto tiempo se mueven antes de cambiar de dirección? Quizás es la frecuencia con la que se detienen. O podría ser una combinación de varias señales, cada una de las cuales es demasiado débil para provocar la emergencia.propios pero que actúan para reforzarse mutuamente "
Como grupo, las células cancerosas potencialmente metastásicas comparten algunos rasgos y habilidades clave, pero como individuos, su rendimiento puede variar. Y en una gran población de células, estas diferencias de rendimiento pueden ser tan marcadas como las de los atletas olímpicos y los adictos a la televisión.Sobre todo, es esta variación natural en el rendimiento individual, o heterogeneidad, lo que hace que sea tan difícil concentrarse en los comportamientos individuales que contribuyen a los comportamientos emergentes, dijo Igoshin.
"Incluso para las células en un tumor genéticamente homogéneo, si observamos a los individuos habrá una distribución, cierta heterogeneidad en el rendimiento que surge de algunos individuos que realizan un 50% por encima del promedio y otros un 50% por debajo del promedio", dijo. "la pregunta es: 'Con todo este ruido de fondo, ¿cómo podemos encontrar las tendencias débiles o las señales asociadas con la emergencia?' "
Igoshin dijo que el nuevo método incorpora ciencia de datos para superar algunas debilidades del modelado tradicional. Al llenar sus modelos con datos experimentales sobre los movimientos de las células individuales, Igoshin dijo que él y Zhang, quienes recibieron su doctorado de Rice en mayo,simplificó la búsqueda de comportamientos individuales que influyen en los comportamientos grupales.
Para demostrar la técnica, se asociaron con Lawrence Shimkets, cuyo laboratorio en la Universidad de Georgia UGA ha pasado años compilando datos sobre los comportamientos individuales y grupales de la bacteria cooperativa del suelo Myxococcus xanthus.
"Son microbios depredadores, pero son más pequeños que muchas de las cosas que comen", dijo Igoshin sobre M. xanthus. "Trabajan juntos, como una manada de lobos, para rodear a sus presas y fabricar los químicos quelo matará y lo digiere fuera de sus cuerpos, convirtiéndolo en moléculas que son lo suficientemente pequeñas como para que puedan asimilarlo ".
Durante los momentos de estrés, como cuando la comida se está acabando, M. xanthus exhibe una forma de comportamiento emergente que se ha estudiado durante décadas. Al igual que las líneas de automóviles que circulan en una ciudad en la hora pico, se unen para formar montículos densamente llenosque son lo suficientemente grandes como para ver a simple vista. La formación de montículos es un primer paso en el proceso de formación de esporas resistentes y duraderas que pueden restablecer la colonia cuando las condiciones mejoran.
En un estudio anterior, Chris Cotter de UGA, coautor del nuevo estudio y estudiante graduado en el grupo de Shimkets, rastreó los comportamientos individuales de las células de tipo salvaje y colaboró con Igoshin para desarrollar un modelo basado en datos que descubra elcomportamientos celulares que son clave para la agregación.En el nuevo estudio, Cotter y Zhe Lyu, un ex investigador postdoctoral de la UGA ahora en el Baylor College of Medicine en Houston, recopilaron datos de formación de montículos de mezclas de tres cepas de M. xanthus: un fenómeno naturaltipo salvaje y dos mutantes. Por sí solos, los mutantes eran incapaces de formar montículos. Pero cuando un número significativo de células de tipo salvaje se mezclaron con los mutantes, fueron "rescatados", lo que significa que se integraron con el colectivo y tomaron parte enconstrucción de montículos
"Uno de los mutantes está completamente rescatado mientras que el otro está parcialmente rescatado, y el objetivo es entender cómo funciona el rescate", dijo Igoshin. "Cuando aplicamos la metodología, vimos varias cosas que fueron inesperadas. Por ejemplo,para el mutante que está completamente rescatado, es de esperar que se comporte normalmente, lo que significa que todas sus propiedades, sus velocidades, sus comportamientos, serán exactamente las mismas que las del tipo salvaje. Pero ese no es el caso. Lo que encontramos fue queel mutante se desempeñó mejor de lo normal en algunos aspectos y peor en otros. Y esos se compensaron entre sí para que pareciera que se comporta normalmente ".
Los comportamientos emergentes en M. xanthus son ejemplos clásicos bien estudiados. Además de mostrar que su método puede descubrir algunos de los misterios del comportamiento de M. xanthus, Igoshin dijo que el nuevo estudio indica que el método puede usarse para investigar otroscomportamientos emergentes, incluidos los implicados en enfermedades y defectos de nacimiento.
"Todo lo que necesitamos son datos sobre individuos y datos sobre el comportamiento emergente, y podemos aplicar este método para preguntar si un tipo específico de comportamiento individual contribuye al comportamiento emergente colectivo", dijo. "No importaqué tipo de célula es, y creo que incluso podría aplicarse para estudiar animales en modelos ecológicos. Por ejemplo, los ecologistas que estudian la migración de una especie a un nuevo territorio a menudo recolectan datos de rastreo GPS. En principio, con suficientes datos sobre individuoscomportamiento, debe poder aplicar este enfoque para estudiar comportamientos colectivos a nivel de rebaño ".
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation DMS-1903275, IOS-1856742, MCB-1411891, PHY-1427654 y la Fundación Welch C-1995.
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Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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