Investigadores del Grupo de Modelización Teórica In Silico de Sistemas Biológicos (The.Si.M.Bio.Sys.GROUP) y de las Facultades de Física y Química de la Universitat de Barcelona (UB) han desarrollado una herramienta de simulación computacional que permite reproducir, de manera cuantitativa y predictiva, la dinámica y mecánica de tejidos epiteliales en crecimiento. El estudio aporta nuevos datos para entender cómo se segregan las diferentes poblaciones celulares durante el desarrollo embrionario para una correcta formación del organismo adulto.
Uno de los retos actuales de la biología del desarrollo es descifrar cuáles son los mecanismos que controlan la migración, segregación y compartimentación celular y cómo actúan sobre las poblaciones celulares para que éstas se agrupen correctamente durante el desarrollo embrionario y formen los tejidos y éstos, a su vez, los órganos.
Los investigadores estudiaron estos mecanismos a través de la experimentación in silico de un caso muy caracterizado experimentalmente in vivo: el disco imaginal del ala de la Drosophila melanogaster, la estructura que origina el ala adulta de la mosca de la fruta.
En el disco imaginal de la Drosophila las células que dan lugar a las partes dorsal y ventral del ala nunca se mezclan. Una población celular, denominada “organizador” o “eje dorsoventral“, controla este proceso, y se ha demostrado, a nivel experimental, que su crecimiento es muy diferente a las poblaciones celulares de ambos compartimentos.
El trabajo ha estado liderado por el físico Javier Buceta, investigador principal de The.Sí.M.Bio.Sys.GROUP –ubicado en el Parc Científic Barcelona (PCB)–, y en él han colaborado los científicos Oriol Canela-Xandri (primer firmante del artículo), durante su estancia predoctoral en el grupo; Jaume Casademunt del Departamento de Estructura y Constituyentes de la Materia, y Francesc Sagués del Departamento de Química Física de las Facultades de Física y Química de la UB.
El objetivo que se planteó el equipo de Buceta fue descifrar, mediante técnicas de modelización computacional, las particulares características mecánicas y morfogenéticas de esta población que actúa como barrera estable para evitar la mezcla de las poblaciones celulares de los discos dorsal y ventral.
¿Qué propiedades mecánicas tienen estas células para convertirse en “barreras efectivas”? ¿Por qué su crecimiento no se produce de manera isótropa como el de las poblaciones celulares dorsal y ventral? Para poder dar respuesta a estas y otras incógnitas los científicos desarrollaron un código de simulación de tejidos que implementa las condiciones suficientes y necesarias para reproducir in silico la estabilidad dinámica y las propiedades mecánicas del organizador.
Un modelo de vértice dinámico
Los autores del estudio utilizaron un modelo de vértice dinámico que representa las fuerzas que actúan sobre las células con variabilidad estocástica (aleatoria), teniendo en cuenta parámetros como la agregación celular, la duración del ciclo de división, la respuesta a la ablación, y la resistencia a las perturbaciones mecánicas. Sus resultados aportan datos muy relevantes sobre la influencia de la mecánica del citoesqueleto, el ciclo y crecimiento celular y las interaccionas celulares sobre el funcionamiento y estructura del organizador.
"Hay otras herramientas computacionales y códigos de simulación de crecimiento de tejidos, pero la nuestra incorpora de manera muy realista algunos componentes fundamentales para el crecimiento de este tipo de tejidos Por ejemplo, hemos tenido en cuenta la variabilidad que se da en la naturaleza con respecto a la duración del ciclo celular y la dirección de división. Ahora, en una segunda parte, incorporaremos también la genética. El objetivo final es conseguir una herramienta de simulación mecanogenética para estudiar la evolución de tejidos epiteliales en crecimiento”- afirma Javier Buceta.
Los resultados de este trabajo ponen de relieve algunos mecanismos fundamentales para conseguir una correcta segregación de tejidos en la Drosophila, que pueden tener implicaciones en procesos similares en los seres humanos, a la vez que aportan datos, desconocidos hasta ahora, para profundizar en enfermedades severas relacionadas con una incorrecta segregación de las poblaciones celulares.
“Los animales modelo, como la Drosophila melanogaster, tienen una gran conexión con nuestra realidad desde el punto de vista biológico, puesto que los genes y procesos son muy similares. Por lo tanto, entender mecanismos clave en su desarrollo significa entenderlos también en el ser humano. En este sentido, nuestro trabajo revela algunos mecanismos fundamentales para conseguir una correcta segregación de tejidos en la Drosophila, que pueden tener implicaciones en procesos similares en los seres humanos. Por poner un ejemplo: durante el desarrollo embrionario existe un proceso de segmentación del neuroepitelio. Cada segmento es responsable de generar ganglios y terminaciones nerviosas. Si hay problemas en la segmentación aparecen serias patologías en el adulto”– desvela Buceta.
Referencia bibliográfica:
Canela-Xandri O, Sagués F, Casademunt J, Buceta J, 2011 Dynamics and Mechanical Stability of the Developing Dorsoventral Organizer of the Wing Imaginal Disc. PLoS Comput Biol 7(9): e1002153. doi:10.1371/journal.pcbi.1002153
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