La misteriosa danza de los embriones de grillo

En junio, 100 científicos de la mosca de la fruta se reunieron en la isla griega de Creta para su reunión bienal. Entre ellos estaba Cassandra Extavour, genetista canadiense de la Universidad de Harvard. Su laboratorio trabaja con moscas de la fruta para estudiar la evolución y el desarrollo: “evo devo”. La mayoría de las veces, estos científicos eligen como su “organismo modelo” a la especie Drosophila melanogaster, un caballo de batalla alado que ha servido como insecto colaborador en al menos algunos premios Nobel de fisiología y medicina.

Pero el Dr. Extavour también es conocido por cultivar especies alternativas como organismos modelo. Ella está especialmente interesada en el grillo, en particular Gryllus bimaculatus, el grillo de campo de dos puntos, a pesar de que todavía no disfruta de los seguidores de la mosca de la fruta. (Alrededor de 250 investigadores principales habían solicitado asistir a la reunión en Creta).

“Es una locura”, dijo durante una entrevista en video desde su habitación de hotel, mientras espantaba un escarabajo. “Si tratáramos de tener una reunión con todos los jefes de laboratorio que trabajan en esa especie de grillo, podríamos ser cinco o 10”.

Los grillos ya se han incluido en estudios sobre relojes circadianos, regeneración de extremidades, aprendizaje, memoria; han servido como modelos de enfermedades y fábricas farmacéuticas. ¡Verdaderos eruditos, grillos! También son cada vez más populares como alimento, cubiertos de chocolate o no. Desde una perspectiva evolutiva, los grillos ofrecen más oportunidades para aprender sobre el último ancestro común de los insectos; tienen más rasgos en común con otros insectos que las moscas de la fruta. (En particular, los insectos constituyen más del 85 por ciento de las especies animales).

La investigación del Dr. Extavour apunta a los fundamentos: ¿Cómo funcionan los embriones? ¿Y qué podría revelar eso sobre cómo surgió el primer animal? Cada embrión animal sigue un viaje similar: una célula se convierte en muchas, luego se organizan en una capa en la superficie del huevo, proporcionando un modelo temprano para todas las partes del cuerpo adulto. Pero, ¿cómo saben las células embrionarias (células que tienen el mismo genoma pero que no hacen lo mismo con esa información) adónde ir y qué hacer?

“Ese es el misterio para mí”, dijo el Dr. Extavour. “Ahí es siempre a donde quiero ir”.

Seth Donoughe, biólogo y científico de datos de la Universidad de Chicago y ex alumno del laboratorio del Dr. Extavour, describió la embriología como el estudio de cómo un animal en desarrollo produce “las partes correctas en el lugar correcto en el momento correcto”. En una nueva investigación que presenta un video maravilloso del embrión de grillo, que muestra ciertas “partes correctas” (los núcleos celulares) moviéndose en tres dimensiones, el Dr. Extavour, el Dr. Donoughe y sus colegas descubrieron que la buena geometría pasada de moda juega un papel protagónico.

Los humanos, las ranas y muchos otros animales ampliamente estudiados comienzan como una sola célula que inmediatamente se divide una y otra vez en células separadas. En los grillos y la mayoría de los demás insectos, inicialmente solo se divide el núcleo celular, formando muchos núcleos que viajan a través del citoplasma compartido y solo más tarde forman sus propias membranas celulares.

En 2019, Stefano Di Talia, biólogo del desarrollo cuantitativo de la Universidad de Duke, estudió el movimiento de los núcleos en la mosca de la fruta y demostró que son arrastrados por flujos pulsantes en el citoplasma, un poco como las hojas que viajan en los remolinos de un lento -corriente en movimiento.

Pero algún otro mecanismo operaba en el embrión del grillo. Los investigadores pasaron horas observando y analizando la danza microscópica de los núcleos: protuberancias brillantes que se dividen y se mueven en un patrón desconcertante, no del todo ordenado, no del todo aleatorio, en diferentes direcciones y velocidades, los núcleos vecinos están más sincronizados que los que están más lejos. La actuación desmintió una coreografía más allá de la mera física o química.

“Las geometrías que llegan a asumir los núcleos son el resultado de su capacidad para detectar y responder a la densidad de otros núcleos cercanos a ellos”, dijo el Dr. Extavour. El Dr. Di Talia no participó en el nuevo estudio, pero lo encontró conmovedor. “Es un hermoso estudio de un hermoso sistema de gran relevancia biológica”, dijo.

Al principio, los investigadores de cricket adoptaron un enfoque clásico: mire de cerca y preste atención. “Acabamos de verlo”, dijo el Dr. Extavour.

Grabaron videos utilizando un microscopio de hoja de luz láser: las instantáneas capturaron la danza de los núcleos cada 90 segundos durante las ocho horas iniciales de desarrollo del embrión, tiempo en el que se acumularon alrededor de 500 núcleos en el citoplasma. (Los grillos eclosionan después de unas dos semanas).

Por lo general, el material biológico es translúcido y difícil de ver incluso con el microscopio más mejorado. Pero Taro Nakamura, entonces un postdoctorado en el laboratorio del Dr. Extavour, ahora biólogo del desarrollo en el Instituto Nacional de Biología Básica en Okazaki, Japón, había diseñado una cepa especial de grillos con núcleos que brillaban con un verde fluorescente. Como relató el Dr. Nakamura, cuando registró el desarrollo del embrión, los resultados fueron “asombrosos”.

Ese fue “el punto de partida” para el proceso exploratorio, dijo el Dr. Donoughe. Parafraseó un comentario que a veces se atribuye al autor de ciencia ficción y profesor de bioquímica Isaac Asimov: “A menudo, no estás diciendo ‘¡Eureka!’ cuando descubres algo, estás diciendo, ‘Huh. Eso es raro.'”

Inicialmente, los biólogos vieron los videos en bucle, proyectados en una pantalla de sala de conferencias, el equivalente de cricket de IMAX, considerando que los embriones tienen aproximadamente un tercio del tamaño de un grano de arroz (de grano largo). Intentaron detectar patrones, pero los conjuntos de datos eran abrumadores. Necesitaban más conocimientos cuantitativos.

El Dr. Donoughe contactó a Christopher Rycroft, un matemático aplicado ahora en la Universidad de Wisconsin-Madison, y le mostró los núcleos danzantes. ‘¡Guau!’ dijo el Dr. Rycroft. Nunca había visto algo así, pero reconoció el potencial de una colaboración basada en datos; él y Jordan Hoffmann, entonces estudiante de doctorado en el laboratorio del Dr. Rycroft, se unieron al estudio.

Durante numerosas proyecciones, el equipo de matemáticas y biología contempló muchas preguntas: ¿Cuántos núcleos había? ¿Cuándo empezaron a dividirse? ¿En qué direcciones iban? ¿Dónde terminaron? ¿Por qué algunos estaban dando vueltas y otros gateando?

El Dr. Rycroft a menudo trabaja en la encrucijada de las ciencias físicas y de la vida. (El año pasado, publicó sobre la física del papel arrugado). “Las matemáticas y la física han tenido mucho éxito en derivar reglas generales que se aplican ampliamente, y este enfoque también puede ayudar en biología”, dijo; El Dr. Extavour ha dicho lo mismo.

El equipo pasó mucho tiempo dando vueltas a las ideas en una pizarra blanca, a menudo haciendo dibujos. El problema le recordó al Dr. Rycroft un diagrama de Voronoi, una construcción geométrica que divide un espacio en subregiones que no se superponen: polígonos o celdas de Voronoi, cada una de las cuales emana de un punto semilla. Es un concepto versátil que se aplica a cosas tan variadas como los cúmulos de galaxias, las redes inalámbricas y el patrón de crecimiento de las copas de los bosques. (Los troncos de los árboles son las puntas de las semillas y las copas son las células de Voronoi, que se acurrucan estrechamente pero sin invadir las unas a las otras, un fenómeno conocido como timidez de la corona).

En el contexto del cricket, los investigadores calcularon la celda de Voronoi que rodea a cada núcleo y observaron que la forma de la celda ayudó a predecir la dirección en la que se movería el núcleo a continuación. Básicamente, dijo el Dr. Donoughe, “los núcleos tendían a moverse hacia espacios abiertos cercanos”.

La geometría, señaló, ofrece una forma abstracta de pensar sobre la mecánica celular. “Durante la mayor parte de la historia de la biología celular, no pudimos medir u observar directamente las fuerzas mecánicas”, dijo, aunque estaba claro que estaban en juego “motores, aplastamientos y empujones”. Pero los investigadores pudieron observar patrones geométricos de orden superior producidos por estas dinámicas celulares. “Entonces, pensando en el espacio de las celdas, los tamaños de las celdas, las formas de las celdas, sabemos que provienen de restricciones mecánicas en escalas muy finas”, dijo el Dr. Donoughe.

Para extraer este tipo de información geométrica de los videos de grillos, el Dr. Donoughe y el Dr. Hoffmann rastrearon los núcleos paso a paso, midiendo la ubicación, la velocidad y la dirección.

“Este no es un proceso trivial, y termina involucrando muchas formas de visión por computadora y aprendizaje automático”, dijo el Dr. Hoffmann, un matemático aplicado ahora en DeepMind en Londres.

También verificaron los resultados del software manualmente, haciendo clic en 100.000 posiciones, vinculando los linajes de los núcleos a través del espacio y el tiempo. El Dr. Hoffmann lo encontró tedioso; El Dr. Donoughe pensó que era como jugar un videojuego, “avanzar a alta velocidad a través del pequeño universo dentro de un solo embrión, uniendo los hilos del viaje de cada núcleo”.

A continuación, desarrollaron un modelo computacional que probó y comparó hipótesis que podrían explicar los movimientos y el posicionamiento de los núcleos. Con todo, descartaron los flujos citoplasmáticos que el Dr. Di Talia vio en la mosca de la fruta. Rechazaron el movimiento aleatorio y la noción de que los núcleos se separaban físicamente entre sí.

En cambio, llegaron a una explicación plausible basándose en otro mecanismo conocido en los embriones de la mosca de la fruta y los gusanos redondos: motores moleculares en miniatura en el citoplasma que extienden grupos de microtúbulos desde cada núcleo, de forma similar al dosel de un bosque.

El equipo propuso que un tipo similar de fuerza molecular atrajera los núcleos de los grillos al espacio desocupado. “Las moléculas bien podrían ser microtúbulos, pero no lo sabemos con certeza”, dijo el Dr. Extavour en un correo electrónico. “Tendremos que hacer más experimentos en el futuro para averiguarlo”.

Esta odisea del grillo no estaría completa sin mencionar el “dispositivo de constricción de embriones” hecho a medida por el Dr. Donoughe, que construyó para probar varias hipótesis. Reprodujo una técnica de la vieja escuela pero fue motivado por un trabajo previo con el Dr. Extavour y otros sobre la evolución de los tamaños y formas de los huevos.

Este artilugio permitió al Dr. Donoughe ejecutar la delicada tarea de enrollar un cabello humano alrededor del huevo de grillo, formando así dos regiones, una que contiene el núcleo original y la otra un anexo parcialmente cortado.

Luego, los investigadores volvieron a observar la coreografía nuclear. En la región original, los núcleos se ralentizaron una vez que alcanzaron una densidad densa. Pero cuando unos pocos núcleos se colaron a través del túnel en la constricción, aceleraron de nuevo, soltándose como caballos en pastos abiertos.

Esta fue la evidencia más fuerte de que el movimiento de los núcleos estaba gobernado por la geometría, dijo el Dr. Donoughe, y “no controlado por señales químicas globales, o flujos o prácticamente todas las demás hipótesis que existen sobre lo que plausiblemente podría coordinar el comportamiento de un embrión completo”.

Al final del estudio, el equipo había acumulado más de 40 terabytes de datos en 10 discos duros y había perfeccionado un modelo geométrico computacional que se sumó al conjunto de herramientas del grillo.

“Queremos hacer que los embriones de grillo sean más versátiles para trabajar en el laboratorio”, dijo el Dr. Extavour, es decir, más útiles en el estudio de aún más aspectos de la biología.

El modelo puede simular cualquier tamaño y forma de huevo, lo que lo hace útil como “campo de pruebas para otros embriones de insectos”, dijo el Dr. Extavour. Señaló que esto hará posible comparar diversas especies y profundizar en la historia evolutiva.

Pero la mayor recompensa del estudio, coincidieron todos los investigadores, fue el espíritu de colaboración.

“Hay un lugar y un momento para el conocimiento especializado”, dijo el Dr. Extavour. “Con la misma frecuencia que en el descubrimiento científico, debemos exponernos a personas que no están tan involucradas como nosotros en ningún resultado en particular”.

Las preguntas planteadas por los matemáticos estaban “libres de todo tipo de sesgos”, dijo el Dr. Extavour. “Esas son las preguntas más emocionantes”.