¿Cómo emergen las estructuras biológicas complejas - un ojo, una mano, un cerebro - de un solo óvulo fertilizado? Esta es la pregunta fundamental de la biología del desarrollo, y un misterio que los científicos aún esperan resolver algún díalos mismos principios para sanar tejidos dañados o regenerar órganos enfermos.
Ahora, en un estudio publicado el 31 de mayo de 2018 en ciencia , los investigadores han demostrado la capacidad de programar grupos de células individuales para autoorganizarse en estructuras de varias capas que recuerdan organismos simples o las primeras etapas del desarrollo embrionario.
"Lo sorprendente de la biología es que el ADN permite que todas las instrucciones necesarias para construir un elefante se empaqueten dentro de un pequeño embrión", dijo el autor principal del estudio Wendell Lim, PhD, presidente y profesor distinguido de Byers en el Departamento de Celular y MolecularFarmacología en UCSF, director del Centro de Sistemas y Biología Sintética financiado por los NIH y codirector del Centro de Construcción Celular financiado por la Fundación Nacional de Ciencias. "El ADN codifica un algoritmo para el crecimiento del organismo, una serie de instrucciones que se desarrollancon el tiempo de una manera que todavía no entendemos. Es fácil sentirse abrumado por la complejidad de los sistemas naturales, así que aquí nos propusimos comprender el conjunto mínimo de reglas para programar celdas para autoensamblarse en estructuras multicelulares ".
Una parte crítica del desarrollo es que, a medida que se forman las estructuras biológicas, las células se comunican entre sí y toman decisiones coordinadas y colectivas sobre cómo organizarse estructuralmente. Para imitar este proceso, la nueva investigación, dirigida por el investigador postdoctoral de la UCSF, Satoshi Toda, PhD, en el laboratorio de Lim - se basó en una molécula de señalización sintética poderosamente personalizable llamada synNotch para "receptor Notch sintético" desarrollada recientemente en el laboratorio de Lim, que permitió a los investigadores programar células para responder a señales específicas de comunicación célula-célula con medidaprogramas genéticos.
Por ejemplo, usando synNotch, los investigadores diseñaron las células para responder a señales específicas de las células vecinas mediante la producción de moléculas de adhesión similares a velcro llamadas cadherinas, así como proteínas marcadoras fluorescentes. Cabe destacar que solo unas pocas formas simples de comunicación celular colectiva fueron suficientes parahace que los conjuntos de células cambien de color y se autoorganicen en estructuras de varias capas similares a organismos simples o tejidos en desarrollo.
En su experimento más simple de este tipo, los investigadores programaron dos grupos de células para autoorganizarse en una esfera de dos capas. Comenzaron con un grupo de células azules que expresaban una proteína de señalización en sus superficies y un segundo grupo de incolorocélulas que lucen un receptor synNotch personalizado programado para detectar esta proteína señal. Cuando se aislaron entre sí, estas poblaciones celulares no hicieron nada, pero cuando los dos grupos se mezclaron, las células azules activaron los receptores synNotch en las células claras y los activaron para producir pegajosidadcadherinas y una proteína marcadora verde llamada GFP. Como resultado, las células incoloras rápidamente comenzaron a ponerse verdes y se agruparon, formando un núcleo central rodeado por una capa externa de sus células azules asociadas.
Los investigadores pasaron a programar grupos de células para autoensamblarse de formas cada vez más complejas, como construir esferas de tres capas o comenzar con un solo grupo de células que se clasificaron en dos grupos distintos antes de formar una esfera en capas. InclusoLas células de ingeniería que formaron los inicios de la "polaridad" - los distintos ejes frontal-posterior, izquierdo-derecho, de la cabeza a los pies que definen los "planes corporales" de muchos organismos multicelulares - al expresar diferentes tipos de moléculas de adhesión de cadherina que instruyeronensamblajes celulares para dividirse en secciones de "cabeza" y "cola" o para producir cuatro "brazos" radiales distintos
Estas hazañas de programación celular más complejas demostraron que las células iniciadoras simples podrían programarse para desarrollarse con el tiempo para formar estructuras más complejas, al igual que un solo huevo fertilizado se divide y diferencia para formar diferentes partes del cuerpo y tejidos distintos como la piel, los músculos,nervio y hueso El equipo de Lim demostró que estos esferoides complejos también se reparaban por sí mismos: cuando los investigadores cortaron los esferoides de varias capas por la mitad con una microguillotina desarrollada por los coautores Lucas R. Blauch y Sindy Tang, PhD, deUniversidad de Stanford, las células restantes se reformaron y reorganizaron rápidamente de acuerdo con su programa intrínseco.
SynNotch fue desarrollado originalmente en el laboratorio de Lim por el coautor Kole Roybal, PhD, ahora profesor asistente de microbiología e inmunología en UCSF, y Leonardo Morsut, PhD, ahora profesor asistente de biología de células madre y medicina regenerativa en la Universidaddel sur de California y co-autor correspondiente del nuevo artículo.
En el futuro, Lim imagina programar estructuras celulares parecidas a tejidos cada vez más complejas a través de múltiples capas de señalización synNotch. Por ejemplo, la activación de un receptor synNotch por contacto de célula a célula o señalización química podría desencadenar células para producir receptores synNotch distintos adicionales,que conduce a una cascada de pasos de señalización de ingeniería. De esta manera, Lim imagina programar la autoorganización de las elaboradas estructuras que eventualmente serían necesarias para cultivar tejidos para la reparación o el trasplante de heridas.
"La gente habla de órganos de impresión 3D, pero eso es muy diferente de cómo la biología construye tejidos. Imagina si tuvieras que construir un humano colocando meticulosamente cada célula justo donde debe estar y pegándola en su lugar", dijoLim, quien es investigadora del Instituto Médico Howard Hughes y miembro del Centro Integral de Cáncer Familiar UCSF Helen Diller. "Es igualmente difícil imaginar cómo imprimirías un órgano completo, luego asegúrate de que esté conectado correctamente al torrente sanguíneo y al restodel cuerpo. La belleza de los sistemas autoorganizados es que son autónomos y están codificados de forma compacta. Se colocan en una o unas pocas células, y crecen y se organizan, cuidando los detalles microscópicos ".
Lim dice que espera que el trabajo de su laboratorio ayude a los científicos a poder programar las células madre para reparar el tejido dañado, o incluso construir nuevos órganos que crezcan con las conexiones correctas con el resto del cuerpo.
"¿No sería genial", dijo Lim, "si pudiéramos hacer crecer un nuevo órgano directamente en el cuerpo para que específicamente crezca conectado a los lugares correctos, donde se supone que debe estar?"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Francisco . Original escrito por Nicholas Weiler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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