Richard Feynman, uno de los físicos más respetados del siglo XX, dijo: "Lo que no puedo crear, no lo entiendo". No es de extrañar que muchos físicos y matemáticos hayan observado procesos biológicos fundamentales con el objetivo de identificar con precisión los ingredientes mínimos que podrían generarlos. Un ejemplo son los patrones de la naturaleza observados por Alan Turing.
El brillante matemático inglés demostró en 1952 que era posible explicar cómo se podía utilizar un tejido completamente homogéneo para crear un embrión complejo, y lo hizo utilizando uno de los modelos matemáticos más simples y elegantes jamás escritos. Uno de los resultados de tales modelos es que la simetría mostrada por una célula o un tejido puede "romperse" bajo una serie de condiciones. Sin embargo, Turing no pudo probar sus ideas, y pasaron más de 70 años antes de que un gran avance en la técnica de la biología pudiera evaluarlos de manera decisiva. ¿Se puede hacer realidad el sueño de Turing a través de la propuesta de Feynman? La ingeniería genética ha demostrado que puede.
Ahora, un equipo de investigación del Instituto de Biología Evolutiva (IBE), centro conjunto de la UPF y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), ha desarrollado un nuevo tipo de modelo y su implementación mediante biología sintética puede reproducir la rotura de simetría observada en embriones con la mínima cantidad de ingredientes posible.
El equipo de investigación pudo identificar los parámetros que modulan la aparición de patrones espaciales en E. coli
El equipo de investigación ha logrado implementar a través de la biología sintética (al introducir partes de genes de otras especies en la bacteria E. coli) un mecanismo para generar patrones espaciales observados en animales más complejos, como Drosophila melanogaster (mosca de la fruta) o humanos. En el estudio, el equipo observó que las cepas de E. coli modificada, que normalmente crecen en patrones circulares (simétricos), tienen la forma de una flor con pétalos a intervalos regulares, tal como lo había predicho Turing.
"Queríamos construir una ruptura de simetría que nunca se ve en colonias de E. coli, pero que se ve en patrones de animales, y luego descubrir cuáles son los ingredientes esenciales necesarios para generar estos patrones", ha señalado Salva Duran-Nebreda.
Utilizando la nueva plataforma sintética, el equipo de investigación pudo identificar los parámetros que modulan la aparición de patrones espaciales en E. coli. ''Hemos visto que modulando tres ingredientes podemos inducir la ruptura de la simetría. En esencia, hemos alterado la división celular, la adhesión entre células y la capacidad de comunicación a larga distancia (quorum sensing), es decir, percibir cuando hay una decisión colectiva", ha comentado Duran-Nebreda.
Las observaciones realizadas en el modelo de E. coli podrían aplicarse a modelos animales más complejos o a principios de diseño de colonias de insectos. ''De la misma manera que los organoides u órganos en miniatura pueden ayudarnos a desarrollar terapias sin tener que recurrir a modelos animales, este sistema sintético allana el camino para entender un fenómeno tan universal como el desarrollo embrionario en un sistema in vitro mucho más simple'', ha explicado Ricard Solé.
El modelo desarrollado en este estudio, el primero de su tipo, podría ser clave para comprender algunos eventos de desarrollo embrionario. ''Debemos pensar en este sistema sintético como una plataforma para aprender a diseñar diferentes mecanismos biológicos fundamentales que generan estructuras, como el paso de un cigoto a la formación de un organismo completo. Además, ese conocimiento sobre la frontera entre procesos mecánicos y biológicos, podría ser de gran utilidad para comprender los trastornos del desarrollo'', ha concluido Duran-Nebreda.