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Publicado en Science, este estudio, codirigido por Eileen Furlong, del EMBL, y Jay Shendure, de la Universidad de Washington, aprovecha los datos de más de un millón de células embrionarias que abarcan todas las etapas del desarrollo del embrión y representa un avance significativo a múltiples niveles. Esta investigación fundamental también ayuda a los científicos a plantearse cuestiones como la forma en que las mutaciones provocan diferentes defectos de desarrollo. Además, proporciona una vía para comprender la vasta parte no codificante de nuestro genoma que contiene la mayoría de las mutaciones asociadas a las enfermedades.

"El mero hecho de capturar la totalidad de la embriogénesis -todas las etapas y todos los tipos de células- para obtener una visión más completa de los estados celulares y los cambios moleculares que acompañan al desarrollo es una hazaña en sí misma", afirmó Eileen Furlong, directora de la unidad de Biología Genómica del EMBL. "Pero lo que realmente me entusiasma es el uso del aprendizaje profundo para obtener una visión continua de los cambios moleculares que impulsan el desarrollo embrionario, hasta el último minuto".

El desarrollo embrionario comienza con la fecundación de un óvulo, seguida de una serie de divisiones y decisiones celulares que dan lugar a un embrión multicelular muy complejo que puede moverse, comer, sentir e interactuar con su entorno. Los investigadores llevan más de cien años estudiando este proceso de desarrollo embrionario, pero sólo en la última década las nuevas tecnologías han permitido a los científicos identificar los cambios moleculares que acompañan a las transiciones celulares a nivel unicelular.

Estos estudios unicelulares han suscitado una enorme expectación, ya que han demostrado la complejidad de los tipos de células en los tejidos, identificando incluso nuevos tipos de células, y han revelado sus trayectorias de desarrollo, además de los cambios moleculares subyacentes. Sin embargo, los intentos de perfilar la totalidad del desarrollo embrionario con una resolución unicelular han estado fuera de alcance debido a los numerosos retos técnicos en materia de muestreo, costes y tecnologías.

En este sentido, la mosca de la fruta(Drosophila melanogaster), un organismo modelo preeminente en la biología del desarrollo, la regulación génica y la biología de la cromatina, tiene algunas ventajas clave a la hora de desarrollar nuevos enfoques para abordar esta cuestión. El desarrollo embrionario de la mosca de la fruta se produce con extrema rapidez; en tan sólo 20 horas después de la fecundación, se han formado todos los tejidos, incluidos el cerebro, el intestino y el corazón, por lo que el organismo puede arrastrarse y comer. Esto, unido a los numerosos descubrimientos realizados en las moscas de la fruta que han impulsado la comprensión del funcionamiento de los genes y sus productos, animó al laboratorio de Furlong y a sus colaboradores a afrontar este reto.

"Nuestro objetivo era obtener una visión continua de todas las etapas de la embriogénesis, para captar toda la dinámica y los cambios a medida que se desarrolla un embrión, no sólo a nivel del ARN sino también de los elementos de control que regulan este proceso", explica el coautor Stefano Secchia, estudiante de doctorado del grupo de Furlong.

Trabajos preliminares con 'potenciadores'

En 2018, los grupos de Furlong y Shendure mostraron la viabilidad de perfilar la cromatina 'abierta' a resolución unicelular en embriones y cómo estas regiones de ADN suelen representar potenciadores activos del desarrollo. Los "potenciadores" son segmentos de ADN que actúan como interruptores de control para activar y desactivar genes. Los datos mostraron qué tipos de células del embrión utilizan qué potenciadores en un momento determinado y cómo cambia este uso a lo largo del tiempo. Este mapa es esencial para comprender qué impulsa aspectos específicos del desarrollo embrionario.

"Me emocioné mucho cuando vi esos resultados", dijo Furlong. "Ir más allá del ARN para observar estos interruptores reguladores en células individuales fue algo que no pensé que sería posible durante mucho tiempo".

Ir más allá de las 'instantáneas'

El estudio de 2018 era lo más avanzado en ese momento, al perfilar ~20.000 células en tres ventanas diferentes del desarrollo del embrión (al principio, a la mitad y al final). Sin embargo, este trabajo solo ofrecía instantáneas de la diversidad y la regulación celular durante puntos de tiempo específicos y discretos. Por ello, el equipo exploró el potencial de utilizar muestras de ventanas temporales superpuestas y, como prueba de principio, aplicó el concepto a un linaje específico: el músculo.

Esto sentó las bases para ampliarlo de forma espectacular utilizando la nueva tecnología desarrollada en el laboratorio de Shendure. El trabajo actual del equipo ha perfilado la cromatina abierta de casi un millón de células y el ARN de medio millón de células de puntos temporales superpuestos que abarcan la totalidad del desarrollo del embrión de la mosca de la fruta.

Utilizando un tipo de aprendizaje automático, los investigadores aprovecharon los puntos de tiempo superpuestos para predecir el tiempo con una resolución mucho más fina. El coautor Diego Calderón, investigador postdoctoral en el laboratorio de Shendure, entrenó una red neuronal para predecir el tiempo preciso de desarrollo de cada célula.

"Aunque las muestras recogidas contenían embriones con edades ligeramente diferentes dentro de una ventana temporal de 2 o 4 horas, este método permite ampliar cualquier parte de esta línea temporal de embriogénesis a escala de minutos", dijo Calderón.

Shendure añadió: "Me sorprendió lo bien que funciona. Pudimos captar cambios moleculares que se producen muy rápidamente en el tiempo, en minutos, que los investigadores anteriores habían descubierto seleccionando a mano los embriones cada tres minutos".

En el futuro, este método no sólo ahorraría tiempo, sino que podría servir de referencia para el desarrollo normal de los embriones y ver cómo podrían cambiar las cosas en diferentes embriones mutantes. De este modo se podría determinar exactamente cuándo y en qué tipo de célula surge el fenotipo de un mutante, como demostraron los investigadores en el músculo. En otras palabras, este trabajo no sólo ayuda a comprender cómo se produce el desarrollo normalmente, sino que también abre la puerta a entender cómo las diferentes mutaciones pueden estropearlo.

El nuevo potencial de predicción que presagia esta investigación, basada en muestras de ventanas temporales mucho más amplias, podría servir de marco para otros sistemas modelo. Por ejemplo, el desarrollo de embriones de mamíferos, la diferenciación celular in vitro o incluso el tratamiento posterior a la administración de fármacos en células enfermas, donde pueden diseñarse espacios de tiempo de muestreo para facilitar la predicción temporal óptima con una resolución más fina.

En el futuro, el equipo tiene previsto explorar el poder de predicción del atlas.

"Combinando todas las nuevas herramientas que tenemos a nuestra disposición en genómica unicelular, computación e ingeniería genética, me encantaría ver si podemos predecir lo que ocurre con los destinos individuales de las células in vivo tras una mutación genética", dijo Furlong. "...pero aún no lo hemos conseguido. Sin embargo, antes de este proyecto, también pensaba que el trabajo actual no sería posible a corto plazo".