Los problemas con las banderas


080213c0e401c8cmedLas banderas siempre han sido problemáticas, se han cometido muchas atrocidades en nombre de tal o cual bandera, pero no es de eso de lo que voy a hablar en esta entrada.

Lo que vamos a tratar hoy es sobre un interesante problema relacionado con la formación de una bandera que tiene importantísimas consecuencias en biología. Espero que sea de vuestro interés.

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La bandera francesa

banderafrancesaLa bandera francesa está compuesta por tres franjas de igual tamaño de color azul, blanco y rojo.  (Esta no era muy difícil).  Ahora vamos a definir nuestro juego.

  • Por un lado tenemos una función decreciente. Por motivos que se harán evidentes más adelante llamaremos a dicha función, concentración. Así que tendremos algo así:

concentracion

  • Sobre esta función marcamos dos puntos que indicarán dos valores de la función que denominaremos umbrales (o threshold en la versión anglosajona:

umbrales

  • Además disponemos de una serie de celdas incoloras o transparentes, considéralas como tú quieras.  Dichas celdas las disponemos en línea recta debajo del eje X de nuestra gráfica de la función concentración.
  • El juego consiste en darle un determinado color a esas celdas dependiendo de los valores de la función que les correspondan.  Las reglas son simples, desde el máximo de nuestra función al primer umbral el color asignado es azul.  Del primer umbral al segundo el color asignado es el blanco y del segundo umbral al mínimo de nuestra función en nuestra gráfica el color que asignaremos será el rojo.  No es difícil adivinar el resultado:

modelobandera

Bueno, bien visto tampoco es tan espectacular.

Aderezando el modelito de la bandera

Vamos a intentar darle un poco de más chicha al asunto.  Supongamos que la función esa que hemos llamado concentración en realidad modeliza realmente la concentración de algún elemento químico.  Para ser más chulis, supongamos que es la concentración de alguna molécula bioquímica, una molécula simple, un aminoácido, una proteína, no sé, elige tú.

Las celdas esas incoloras que hemos usado en el juego vamos a suponer que hacen referencia a células no diferenciadas, células que proceden, por ejemplo, de un embrión en sus primerísimos estadios de evolución.  Y, por último, supongamos que los colores hacen referencia a tipos celulares, es decir, el azul hace referencia a un tipo de célula de la piel, el blanco a un tipo de célula del sistema nervioso, y el rojo a un tipo de célula muscular.  Las células iniciales no diferenciadas tienen que decidir en qué células diferenciadas se convierten en la evolución del embrión.  Para eso tendrán que activar ciertos genes y desactivar otros, al fin y al cabo todas nuestras células tienen los mismos genes solo que no todas expresan los mismo en todos los casos.

Ahora vuelve a mirar esta imagen:

modelobandera

¿La ves diferente?

La diferenciación celular, formación de patrones espaciales e información posicional

ovulo_intEn biología hay una rama que se dedica al estudio del desarrollo embrionario.  El problema fundamental es entender como de una única célula, el óvulo fecundado, surge un organismo completo con distintos tejidos, distintas células, etc.

Como es evidente, todas las células de nuestro cuerpo tienen la misma dotación genética, todas contienen toda la información, sin embargo, en el proceso embrionario las células se diferencian en distintos tipos para formar órganos y estructuras.  ¿Cómo sabe cada célula que tiene que diferenciarse de una forma u otra?  Este es uno de los problemas esenciales de la biología del desarrollo.

Allá por 1969 el biólogo teórico Lewis Wolpert publicó el artículo:

Positional information and the spatial pattern of cellular differentiation

Donde proponía un modelo de bandera francesa para explicar la diferenciación celular y la formación tejidos siguiendo este proceso.

sh4(6)

Aquí una referencia más actual, 2011, del propio Wolpert revisando su idea inicial:

Positional information and patterning revisited

La línea general de la idea

  1. En el proceso del desarrollo se establecen gradientes, curvas, de distintas sustancias que actúan como activadoras de determinados genes.  Dependiendo de la posición de una determinada célula estará expuesta a más o menos cantidad de dicha sustancia y así expresará unos genes u otros produciéndose el proceso de diferenciación.
  2. A estas sustancias que pueden ser desde moléculas simples hasta proteínas complejas, se las denomina morfógenos.

En este contexto se habla de la información posicional que viene señalizada por la cantidad de distintos morfógenos.  A partir de distintos umbrales de concentración dichos morfógenos activan o inhiben determinados genes o redes de genes para forzar la distinción de clases celulares.

La evolución de una idea simple

Sin ánimo de hacer una revisión rigurosa del estado de la cuestión en estas líneas, que podéis encontrar en las referencias, si que me gustaría comentar algunas cosas:

  1. El concepto de morfógeno ha evolucionado con el tiempo aunque su carácter se ha mantenido.
  2. Al principio se pensaba que todo estaba controlado por un proceso de difusión, en el cigoto empezaba un proceso de emisión de distintas sustancias y estas se iban difundiendo a medida que se producían las divisiones celulares.  Hoy día este procedimiento se sabe que no puede dar lugar a las distintas morfologías y los distintos tejidos en un organismo complejo.  Se han definido nuevas formas de señalización que involucran complejos sistemas de interacción célula-célula a nivel de membrana y que van apareciendo en el proceso del desarrollo embrionario.

A mí me sigue pareciendo impresionante que podamos conocer estas cosas.  En la actualidad hay discusión de muchos aspectos del modelo de bandera francesa para la diferenciación celular y la distinción de tejidos.  Por mencionar unos pocos:

  • En el modelo que hemos presentado los bordes de diferenciación son muy definidos, sin embargo, en simulaciones no se consigue tal grado de separación entre regiones:

2661971_pbio.1000081.g001

  • Gracias a la implementación de modelos matemáticos y simulaciones por computador se han podido examinar modelos más complejos en los que participan distintos morfógenos con distintas curvas de concentración dependiendo de la posición:

Morphogens

Sin duda alguna este es un campo muy propicio para la participación de matemáticos, físicos e informáticos en la investigación biológica del desarrollo.

Un caso concreto

melanogaster

Si hay un animalito que ha sido empleado masivamente en estudios genéticos y de desarrollo esa es la mosca de la fruta o drosophila melanogaster, hay pocas cosas que no sepamos de su genética y de sus etapas de desarrollo.

El desarrollo de esta mosca se puede resumir en esta imagen:

droslifecycle

En la región anterior, donde aparecerá la cabeza, del embrión se activa un gen conocido como bicoid.  Este gen comienza a producir una proteína denominada Bcd que se difunde por el embrión desde la parte anterior hasta la posterior.  Eso hace aparecer una curva de concentración, de mayor a menor, y parece ser que esta proteína activa redes de genes que son capaces de diferenciar las células por su posición (dependiendo de la concentración de Bcd).

Se ha medido experimentalmente tal concentración:

fig2_11

Ahí tenemos una representación de la concentración de ARN que lleva la información para construir la proteína bicoid (Bcd) y la propia proteína.  Esta proteína, dependiendo de determinados umbrales, diferencia los segmentos de la mosca:

gr1

Por supuesto, las cosas no son tan simples ni tan siquiera en una mosca y hay que tener en cuenta las interacciones entre varias redes génicas que participan en el proceso de diferenciación.  Esto solo es un ejemplo sencillito para mostrar que el modelo de la bandera francesa se emplea en biología del desarrollo.

Referencias

Principles of developtment

Un libo escrito por el propio Wolpert junto con otros grandes biólogos de desarrollo.  Una lectura apasionante para cualquiera.

Formation of the bicoid morphogen gradient

Artículo de investigación sobre el perfil de concentración de la proteína bicoide en el desarrollo de la mosca de la fruta.

Biophysical studies of  morphogen gradient formation in Drosophila melanogaster

Tesis doctoral sobre los aspectos biofísicos de esta idea de los morfógenos y sus concentraciones para dar lugar a la diferenciación celular.

Espero que este tema os haya interesado, a mi me parece fascinante.

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Nos seguimos leyendo

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3 Respuestas a “Los problemas con las banderas

  1. Hay veces que me parece más compleja la biología que la física en si misma, aunque sea la física quién gobierne la biología.

  2. Pingback: Los problemas con las banderas | Ciencia-F&iacu...

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