Un nuevo mecanismo para moldear tejidos animales
Investigadores de Dresde descubren un nuevo mecanismo para los cambios tridimensionales de forma de los tejidos en animales.
Una cuestión clave que sigue planteándose la biología y la biofísica es cómo surgen las formas tridimensionales de los tejidos durante el desarrollo animal. Equipos de investigación del Instituto Max Planck de Biología Celular Molecular y Genética (MPI-CBG) de Dresde (Alemania), el Cluster de Excelencia Física de la Vida (PoL) de la Universidad Técnica de Dresde y el Centro de Biología de Sistemas de Dresde (CSBD) han descubierto un mecanismo por el que los tejidos pueden "programarse" para pasar de un estado plano a una forma tridimensional. Para lograrlo, los investigadores se fijaron en el desarrollo de la mosca de la fruta Drosophila y su bolsa de disco alar, que pasa de una forma de cúpula poco profunda a un pliegue curvado y más tarde se convierte en el ala de una mosca adulta. Los investigadores desarrollaron un método para medir los cambios de forma tridimensionales y analizar cómo se comportan las células durante este proceso. Utilizando un modelo físico basado en la programación de la forma, descubrieron que los movimientos y reordenamientos de las células desempeñan un papel clave en la conformación del tejido. Este estudio, publicado en Science Advances, demuestra que el método de programación de formas podría ser una forma habitual de mostrar cómo se forman los tejidos en los animales.
Los tejidos epiteliales son capas de células estrechamente conectadas y constituyen la estructura básica de muchos órganos. Para crear órganos funcionales, los tejidos cambian su forma en tres dimensiones. Aunque se han explorado algunos mecanismos para las formas tridimensionales, no son suficientes para explicar la diversidad de formas de los tejidos animales. Por ejemplo, durante un proceso del desarrollo de la mosca de la fruta denominado eversión del disco alar, el ala pasa de una sola capa de células a una capa doble. Se desconoce cómo la bolsa del disco alar experimenta este cambio de forma, pasando de una cúpula con simetría radial a una forma de pliegue curvado.
Los grupos de investigación de Carl Modes, jefe de grupo en el MPI-CBG y el CSBD, y Natalie Dye, jefa de grupo en el PoL y anteriormente afiliada al MPI-CBG, querían averiguar cómo se produce este cambio de forma. "Para explicar este proceso, nos inspiramos en láminas de materiales inanimados "programables en forma", como los hidrogeles finos, que pueden transformarse en formas tridimensionales mediante tensiones internas cuando se les estimula", explica Natalie Dye, y prosigue: "Estos materiales pueden cambiar su estructura interna en toda la lámina de forma controlada para crear formas tridimensionales específicas. Este concepto ya nos ha ayudado a entender cómo crecen las plantas. Los tejidos animales, sin embargo, son más dinámicos, con células que cambian de forma, tamaño y posición".
Para ver si la programación de la forma podría ser un mecanismo para entender el desarrollo animal, los investigadores midieron los cambios de forma de los tejidos y los comportamientos celulares durante la eversión del disco del ala de Drosophila, cuando la forma de cúpula se transforma en forma de pliegue curvado. "Utilizando un modelo físico, demostramos que los comportamientos celulares colectivos y programados son suficientes para crear los cambios de forma observados en la bolsa del disco alar. Esto significa que no se necesitan fuerzas externas de los tejidos circundantes, y que los reordenamientos celulares son el principal motor del cambio de forma de la bolsa", afirma Jana Fuhrmann, becaria postdoctoral del grupo de investigación de Natalie Dye. Para confirmar que las células reordenadas son el principal motivo de la eversión de la bolsa, los investigadores lo comprobaron reduciendo el movimiento celular, lo que a su vez causó problemas en el proceso de conformación del tejido.
Abhijeet Krishna, estudiante de doctorado en el grupo de Carl Modes en el momento del estudio, explica: "Los nuevos modelos de programabilidad de la forma que hemos desarrollado están relacionados con distintos tipos de comportamientos celulares. Estos modelos incluyen efectos tanto uniformes como dependientes de la dirección. Aunque existían modelos anteriores de programabilidad de la forma, sólo contemplaban un tipo de efecto a la vez. Nuestros modelos combinan ambos tipos de efectos y los relacionan directamente con los comportamientos celulares".
Natalie Dye y Carl Modes concluyen: "Descubrimos que la tensión interna provocada por comportamientos celulares activos es lo que da forma a la bolsa del disco alar de Drosophila durante la eversión. Utilizando nuestro nuevo método y un marco teórico derivado de los materiales programables en forma, pudimos medir patrones celulares en cualquier superficie tisular. Estas herramientas nos ayudan a comprender cómo los tejidos animales transforman su forma y tamaño en tres dimensiones. En general, nuestro trabajo sugiere que las señales mecánicas tempranas ayudan a organizar el comportamiento de las células, lo que más tarde conduce a cambios en la forma del tejido. Nuestro trabajo ilustra principios que podrían utilizarse más ampliamente para comprender mejor otros procesos de conformación de los tejidos."
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