En la etapa más temprana de la vida, los animales experimentan algunas de sus transformaciones físicas más espectaculares. Una vez que eran meras gotas de células en división, comienzan a reorganizarse en sus formas más características, ya sean peces, aves o humanos. Comprensión de cómo las células actúan juntasconstruir tejidos ha sido un problema fundamental en física y biología.
Ahora, Otger Campàs, profesor de UC Santa Bárbara, que también ocupa la Cátedra Mellichamp en Biología de Sistemas y Bioingeniería, y Sangwoo Kim, becario postdoctoral en el laboratorio del profesor Campàs, han abordado esta cuestión con hallazgos sorprendentes.
"Cuando tienes muchas células interactuando físicamente entre sí, ¿cómo se comporta el sistema colectivamente? ¿Cuál es el estado físico del conjunto?", Dijo Campàs.
De hecho, explicó, el tejido celular embrionario es un "material extraño", y cada célula consume energía química y la usa para aplicar fuerzas a sus vecinas y coordinar sus acciones. Los estudios in vitro con células en placas sintéticas proporcionan solo una parte dela imagen, agregó; al estudiar las células en su entorno nativo, el embrión vivo, podrían descubrir cómo las células controlan su estado colectivo y las transiciones de fase que emergen de su sinfonía de empujones y tirones.
en un artículo publicado en Física de la naturaleza , Campàs, Kim y sus colegas informan del desarrollo de un marco computacional que captura las diversas interacciones entre las células y las conecta con la dinámica del tejido embrionario. A diferencia de las simulaciones anteriores, este marco tiene en cuenta varias características clave relevantes para las interacciones celulares, como los espaciosentre las células, las formas de las células y las fluctuaciones de tensión donde se encuentran las células.
"Para comprender completamente el comportamiento físico de los tejidos embrionarios, todos los aspectos clave de los tejidos embrionarios a escala celular deben tenerse en cuenta en el modelo, ya que las propiedades de los tejidos emergentes se derivan de interacciones a escala celular", dijo Kim, autor principal deel estudio. "Existen numerosos modelos para estudiar los tejidos embrionarios, pero no existe un marco general que incluya esas características clave, lo que dificulta la comprensión holística de los comportamientos físicos de los tejidos embrionarios".
Jiggling Cells
El tejido embrionario, según los investigadores, se comporta físicamente como una espuma acuosa, un sistema compuesto por bolsas individuales de aire agrupadas en un líquido. Piense en espuma de jabón o espuma de cerveza.
"En el caso de la espuma, su estructura y dinámica se rigen por la tensión superficial", dijo Kim. Se encuentran fuerzas análogas cuando las células entran en contacto entre sí en el tejido embrionario, tanto en las caras internas de las membranas celulares como entrecélulas.
"Las fuerzas efectivas que actúan en las uniones de célula a célula se rigen por la tensión cortical y la adhesión de célula a célula", dijo Kim, "por lo que la fuerza neta en los contactos de célula a célula se puede modelar como una superficie efectivatensión."
Sin embargo, a diferencia de las fuerzas más estáticas entre las células en las espumas típicas, las fuerzas entre las células en el tejido embrionario son dinámicas.
"Las células en los tejidos no generan fuerzas estáticas, sino que muestran empujones y tirones dinámicos con el tiempo", explicó Campàs. "Y encontramos que son en realidad estas fluctuaciones de tensión las que efectivamente 'derriten' el tejido en un estado fluido".Es esta fluidez del tejido lo que permite que las células se reorganicen y den forma a los tejidos, explicó.
Los investigadores pusieron a prueba su modelo midiendo cómo las fuerzas cambian con el tiempo en el pez cebra embrionario, un organismo modelo popular para quienes estudian el desarrollo de los vertebrados. Se basan en una técnica desarrollada en el laboratorio de Campàs que utiliza pequeñas gotas magnéticas insertadas entre las células de un pez cebra embrionario, pudieron confirmar, por la forma en que se deformó la gota, las fuerzas dinámicas detrás del estado fluido del tejido.
Su hallazgo de que las fluctuaciones de tensión son responsables de la fluidez del tejido durante el desarrollo contrasta con la noción generalmente aceptada de que los cambios en la adhesión entre las células es el factor crítico que controlaba la fluidez del tejido, si la adhesión entre las células alcanzaba un límite.cierto umbral alto, el tejido se volvería fluido.
"Pero dado que las fuerzas y las tensiones celulares fluctúan en los embriones, podría ser que estas desempeñaran un papel importante en la fluidización del tejido", dijo Campàs. "Así que cuando ejecutamos las simulaciones e hicimos los experimentos, nos dimos cuenta de que en realidad el movimientomás importante para la fluidización que para la adhesión. "El estado fluido del tejido es el resultado de la dinámica de las fuerzas, en lugar de cambios en la tensión o adhesión celular estática.
Los hallazgos de este estudio podrían tener implicaciones en el campo de la física, particularmente en el ámbito de la materia activa: sistemas de muchas unidades individuales que consumen energía y aplican fuerzas mecánicas que exhiben colectivamente comportamientos colectivos emergentes. El estudio también podría informarestudios en biología, en investigaciones de cómo los cambios en los parámetros de las células individuales podrían controlar el estado global del tejido, como con el desarrollo embrionario o con los tumores.
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