¿Cómo se generan las diferentes formas de nuestros órganos y tejidos? Para responder a esta pregunta, un equipo de la Universidad de Ginebra UNIGE, Suiza, obligó a las células musculares a reproducir espontáneamente formas simplesin vitro. Al confinarlas en discos de adhesión, los bioquímicos y físicos observaron que las células se autoorganizan rápidamente al alinearse en la misma dirección. Se crea un movimiento circular alrededor de un vórtice, llamado defecto topológico, que, al orientarselas células, les permite unir sus fuerzas, deformando la monocapa celular en una protuberancia, una estructura comúnmente observada en el desarrollo del embrión. Esta protuberancia cilíndrica es mantenida por las fuerzas colectivas de rotación de las células, creando un efecto similar al de un tornado. La formación de estaslos tornados celulares constituirían por lo tanto un mecanismo simple de morfogénesis espontánea, dictada por las propiedades únicas de los ensamblajes multicelulares.Estos resultados se pueden leer en la revista Materiales naturales.
Nuestros cuerpos están formados por órganos y tejidos, cada uno con su forma peculiar. Pero, ¿cómo logran las células formar los pliegues del intestino o los alvéolos de los pulmones? ¿Es posible reconstituir estas formasin vitro? Para responder a estas preguntas, los bioquímicos se han unido a los físicos teóricos para probar la capacidad de los tejidos celulares para automodelarse espontáneamente.
"En física teórica, sabemos que si hay restricciones activas entre las células, entonces se ordenarán y adoptarán espontáneamente comportamientos colectivos conocidos como 'emergentes', porque no existen a la escala de una sola célula", explica KarstenKruse, profesor de los departamentos de bioquímica y física teórica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE. La teoría predice que uno de estos comportamientos emergentes es la adopción de formas particulares por parte de un tejido multicelular. Es esta hipótesis la que queríamos probarin vitro.
Para ello, el equipo de Ginebra seleccionó células musculares humanas que son capaces de contraerse y cuya forma de varilla les permite alinearse: "Cuando las células se colocan sobre una superficie plana, se alinean y forman estructuras similares a un campo detrigo por donde ha pasado el viento: hay un orden general con cambios bruscos de dirección en lugares puntuales", dice Aurélien Roux, profesor del Departamento de Bioquímica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE. Estos cambios de dirección se denominan 'defectos topológicos': representan los lugares donde las fuerzas físicas ejercidas sobre las células son muy débiles o, por el contrario, inmensas.
Los defectos topológicos crean tornados celulares
Entonces, ¿qué impacto tienen estos defectos topológicos en la forma del tejido? Para comprender su función, el equipo interdisciplinario cultivó células en discos de adhesión. "Esto implica confinar nuestras células musculares a una superficie rodeada de moléculas repulsivas que las obligan a formarun círculo", explica Aurélien Roux. Las celdas rápidamente comienzan a girar juntas para formar una espiral ordenada. "Podemos ver un movimiento espontáneo de las celdas, como cuando una multitud se ve obligada a caminar alrededor de una habitación y termina yendo en la mismadirección para la facilidad", continúa.
Así ordenado, solo queda un defecto topológico en el centro del círculo. "Vemos que la espiral, que concentra las fuerzas celulares en su centro, acumula las células recién formadas allí por división celular. Así, la espiral se convertirá gradualmenteun vórtice, creando una protuberancia en el medio del disco", explica Karsten Kruse. Y esta protuberancia puede alcanzar hasta medio milímetro, lo cual es enorme para una base que no tiene un tamaño de una centésima de milímetro. El equipo de Ginebra estápor lo tanto, observando un pequeño tornado celular 3D real que está girando.
Morfogénesis celular espontánea sujeta a las leyes de la física
Los investigadores encontraron que las células musculares formaron espontáneamente estructuras similares a tornados, que se asemejan a las estructuras observadas en el desarrollo del embrión, como los dedos o los pliegues de la capa intestinal. "Esta autoorganización espontánea sin regulación bioquímica podríaser la etapa inicial en la formación de protuberancias en el embrión", dice Aurélien Roux. Los científicos también destacaron que son los defectos topológicos los que controlan la organización de las células y determinan la forma que adoptarán. "Finalmente, nuestro estudio muestra quelas células no escapan a las leyes de la física pero, sujetas a las mismas restricciones que todos los materiales, las explotan para concentrar sus fuerzas y crear formas que solo se ven en los organismos vivos", añade Karsten Kruse.
Los investigadores ahora estudiarán ejemplos simples de embriones para compararlos con modelos teóricos yin vitro experimentar y comprender los diferentes mecanismos posibles que regulan las fuerzas en el embrión.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Ginebra. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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