El misterioso baile de los fetos de grillo

En junio, 100 científicos de la mosca de la fruta se reunieron en la isla griega de Creta para su reunión bienal. Entre ellos estaba Cassandra Extavour, genetista canadiense de la Universidad de Harvard. Su laboratorio trabaja con moscas de la fruta para estudiar la evolución y la evolución – ‘evo devo’. La mayoría de las veces, estos científicos eligen a Drosophila melanogaster como su “organismo modelo”, un caballo de batalla alado que ha servido como insecto colaborador para al menos algunos premios Nobel de Fisiología y Medicina.

Pero el Dr. Extavor también es conocido por cultivar especies alternativas como organismos modelo. Es particularmente aficionado al cricket, especialmente Gryllus bimaculatus, el grillo de campo de dos puntas, aunque no disfruta nada cerca de Drosophila. (Alrededor de 250 investigadores principales asistieron a la reunión en Creta).

“Es una locura”, dijo durante una entrevista en video desde su habitación de hotel, mientras se alejaba de un escarabajo. “Si tratamos de tener una reunión con todos los jefes de los laboratorios que trabajan con este tipo de grillo, podríamos ser cinco o 10 personas”.

Las cucarachas ya se han incluido en estudios de relojes circadianos, regeneración de extremidades, aprendizaje y memoria; Sirvieron como modelos de enfermedades y fábricas de medicamentos. ¡Multijugador real, grillos de la noche! También es cada vez más popular como alimento, cubierto de chocolate o no. Desde una perspectiva evolutiva, los grillos brindan más oportunidades para aprender sobre el último ancestro común de los insectos; Tienen más en común con otros insectos que con las moscas de la fruta. (Vale la pena señalar que los insectos constituyen más del 85 por ciento de las especies animales).

La investigación tiene como objetivo d. Extafor to Basics: ¿Cómo funcionan los embriones? ¿Y qué puede revelar cómo apareció el primer animal? Cada embrión animal sigue un viaje similar: una célula se convierte en muchas y luego se organizan en una capa en la superficie del huevo, proporcionando un contorno temprano de todas las partes del cuerpo adulto. Pero, ¿cómo saben las células embrionarias, células que tienen el mismo genoma pero no hacen lo mismo con esa información, adónde ir y qué hacer?

“Ese es el misterio para mí”, dijo el Dr. Extavor. “Aquí es donde siempre quiero ir”.

Seth Donoghue, biólogo y científico de datos de la Universidad de Chicago y graduado del laboratorio del Dr. Extavor, describió la embriología como el estudio de cómo un animal en desarrollo produce “las partes correctas en el lugar correcto en el momento correcto”. En una nueva investigación que incluye un video fascinante de un embrión de grillo, que muestra algunas de las “partes correctas” (núcleos celulares) moviéndose en tres dimensiones, el Dr. Extavour, el Dr. Donoghue y sus colegas descubrieron que la buena geometría antigua juega un papel .

Los humanos, las ranas y muchos otros animales ampliamente estudiados comienzan como una sola célula que instantáneamente se divide una y otra vez en células separadas. En las cucarachas y la mayoría de los demás insectos, el núcleo celular se divide solo al principio, formando numerosos núcleos que viajan a través del citoplasma común y luego forman sus propias membranas celulares.

En 2019, Stefano Di Talia, biólogo evolutivo cuantitativo de la Universidad de Duke, estudió el movimiento de los núcleos en Drosophila y demostró que se transmite por flujos de impulso en el citoplasma, algo así como hojas que viajan en vórtices lentos. Movimiento de flujo.

Pero había otro mecanismo en funcionamiento en el embrión del grillo. Los investigadores han pasado horas observando y analizando núcleos microscópicos: los núcleos brillantes se dividen y se mueven en un patrón desconcertante, no del todo ordenado, no completamente aleatorio, en diferentes direcciones y velocidades, los núcleos vecinos están más sincronizados que los distantes. La actuación mintió a una coreografía que va más allá de la física o la química.

“La geometría que postulan los núcleos es una consecuencia de su capacidad para detectar y responder a la densidad de otros núcleos en las proximidades”, dijo el Dr. El Dr. no participó. De Thalia está en el nuevo estudio, pero lo encontró impresionante. “Es un hermoso estudio de un hermoso sistema con gran relevancia biológica”, dijo.

Los investigadores de Cricket adoptaron inicialmente un enfoque clásico: mirar de cerca y prestar atención. “Acabamos de verlo”, dijo el Dr. Extavor.

Filmaron videos con un microscopio de hoja de luz láser: el metraje capturó la danza de los núcleos cada 90 segundos durante ocho horas de desarrollo del embrión, momento en el que unos 500 núcleos se habían fusionado en el citoplasma. (Las cucarachas eclosionan después de aproximadamente dos semanas).

El material biológico suele ser transparente y difícil de ver incluso con el microscopio más potente. Pero Taro Nakamura, entonces investigador postdoctoral en el laboratorio del Dr. Extavour y ahora biólogo del desarrollo en el Instituto Nacional de Biología Básica en Okazaki, Japón, diseñó una variedad especial de cucarachas con núcleos que brillan con un verde fluorescente. Como relató el Dr. Nakamura, cuando registró el desarrollo del feto los resultados fueron “sorprendentes”.

El Dr. Donoghue dijo que ese era el “punto de partida” de la expedición. Parafraseó un comentario que a veces se atribuye al autor de ciencia ficción y profesor de bioquímica Isaac Asimov: “A menudo, no dices ‘¡Eureka! Cuando ves algo, dices, ‘Huh. Es raro.'”

Al principio, los biólogos vieron los videos en bucle, proyectados en la pantalla de una sala de conferencias, el equivalente a un grillo IMAX, considerando que los embriones tenían aproximadamente un tercio del tamaño de un grano de arroz (de grano largo). Han tratado de detectar patrones, pero los conjuntos de datos han sido abrumadores. Necesitaban más inteligencia cuántica.

El Dr. Donog llamó a Christopher Rycroft, un matemático aplicado de la Universidad de Wisconsin-Madison, y le mostró el núcleo de la danza. ‘¡Fabuloso!’ dijo el Dr. Rycroft. Nunca había visto algo así, pero se dio cuenta de la posibilidad de una colaboración respaldada por datos; Él y Jordan Hoffman, estudiante de doctorado en el laboratorio del Dr. Rycroft, se unieron al estudio.

Durante varias presentaciones, el equipo de Matemáticas y Biología reflexionó sobre varias preguntas: ¿Cuántos núcleos hay? ¿Cuándo empezaron a separarse? ¿En qué direcciones iban? ¿Dónde terminaron? ¿Por qué unos caminaban y otros gateaban?

El Dr. Rycroft a menudo trabaja en la encrucijada de la vida y las ciencias físicas. (Él publicó el año pasado sobre la física de la ondulación del papel.) “Las matemáticas y la física han tenido mucho éxito en la derivación de reglas generales que son ampliamente aplicables, y este enfoque también puede ayudar en la biología”, dijo. Dr.. Extavor dijo lo mismo.

El equipo pasó mucho tiempo moviendo ideas alrededor de una pizarra, a menudo haciendo dibujos. El problema le recordó al Dr. Rycroft el diagrama de Voronoi, una construcción geométrica que divide el espacio en subregiones que no se superponen: polígonos o celdas de Voronoi, cada una de las cuales emana de su punto de partida. Es un concepto versátil que se aplica a cosas tan diversas como los cúmulos de galaxias, las redes inalámbricas y el patrón de crecimiento de las copas de los bosques. (Los troncos son puntos de semillas y las coronas son células de Voronoi, que se incuban de cerca pero no se invaden entre sí, un fenómeno conocido como timidez de la corona).

En el curso del cricket, los investigadores contaron una célula de Voronoi que rodeaba cada núcleo y notaron que la forma de la célula ayudó a predecir en qué dirección se movería el núcleo a continuación. Esencialmente, dijo el Dr. Donoghue, “los núcleos tienden a moverse hacia un espacio abierto cercano”.

Señaló que la geometría ofrece una forma abstracta de pensar sobre la mecánica celular. “Durante la mayor parte de la historia de la biología celular”, dijo, “no hemos podido medir o monitorear directamente las fuerzas mecánicas”, aunque estaba claro que “los motores, la presión y la presión” juegan un papel. Pero los investigadores pueden observar patrones geométricos de orden superior producidos por la dinámica celular. “Entonces, pensando en el espacio entre celdas, el tamaño de las celdas, las formas de las celdas, sabemos que proviene de restricciones mecánicas a escalas muy precisas”, dijo el Dr. Donoghue.

Para extraer este tipo de información de ingeniería de los videos de cricket, el Dr. Donoghue y el Dr. Hoffman trazaron núcleos paso a paso, midiendo la posición, la velocidad y la dirección.

“Este no es un proceso trivial, y termina involucrando muchas formas de visión por computadora y aprendizaje automático”, dijo el Dr. Hoffman, matemático aplicado ahora en Deep Mind en Londres.

También verificaron los resultados del programa manualmente, haciendo clic en 100,000 loci y correlacionando las tensiones de los núcleos en el espacio y el tiempo. El Dr. Hoffman lo encontró aburrido. El Dr. Donoghue consideró que se trataba de un juego de video, “avanzando a gran velocidad a través del diminuto universo dentro de un solo embrión, uniendo los hilos del viaje de cada núcleo”.

Luego, desarrollaron un modelo computacional que prueba y compara hipótesis que podrían explicar los movimientos y la posición del núcleo. En general, excluyeron los flujos citoplasmáticos que el Dr. de Thalia vio en Drosophila. Rechazaron el movimiento aleatorio y la idea de que los núcleos están físicamente separados unos de otros.

En cambio, se les ocurrió una explicación plausible basándose en otro mecanismo conocido en los embriones de la mosca de la fruta y los gusanos redondos: motores moleculares en miniatura en el citoplasma que extienden grupos de microtúbulos desde cada núcleo, a diferencia del dosel del bosque.

El equipo sugirió que un tipo similar de fuerza molecular condujo a que los núcleos de las cucarachas fueran atraídos hacia el espacio desocupado. “Las partículas pueden ser microtúbulos, pero no lo sabemos con certeza”, dijo el Dr. Extavor en un correo electrónico. “Tendremos que hacer más experimentos en el futuro para averiguarlo”.

Este viaje de cricket no estaría completo sin una mención de un “dispositivo de contracción fetal” hecho especialmente que el Dr. Donoghue hizo para probar diferentes hipótesis. Reprodujo un enfoque antiguo pero motivado del trabajo anterior con el Dr. Extavor y otros sobre la evolución del tamaño y la forma de los huevos.

Esta extraña herramienta permitió al Dr. Donoghue llevar a cabo la difícil tarea de envolver un cabello humano alrededor de un huevo de grillo, creando así dos regiones, una que contenía el núcleo original y la otra un apéndice parcialmente pellizcado.

Luego, los investigadores monitorearon nuevamente la coreografía nuclear. En la región original, los núcleos se ralentizaron una vez que alcanzaron una densidad densa. Pero cuando unos cuantos núcleos se deslizaron por el túnel en la constricción, aceleraron de nuevo y se marcharon como caballos en pastos abiertos.

El Dr. Donoghue dijo que esta era la evidencia más sólida de que el movimiento del núcleo estaba gobernado por la geometría y “no controlado por señales químicas globales, flujos o casi todas las demás hipótesis que existen sobre lo que podría coordinar razonablemente el comportamiento de un embrión completo”.

Al final del estudio, el equipo había recopilado más de 40 terabytes de datos en 10 discos duros y refinado un modelo de ingeniería computacional que se agregó al conjunto de herramientas del grillo.

“Queremos hacer que los embriones de grillo sean más versátiles para trabajar en el laboratorio”, es decir, más útiles para estudiar más aspectos de la biología, dijo el Dr. Extavor.

El Dr. Extavor dijo que el modelo puede simular cualquier tamaño y forma de un huevo, lo que lo hace útil como “campo de pruebas para otros embriones de insectos”. Señaló que esto haría posible comparar diversas especies e investigar más profundamente su historia evolutiva.

Pero todos los investigadores coincidieron en que la mayor recompensa del estudio fue el espíritu de colaboración.

“Hay un lugar y un momento para el conocimiento especializado”, dijo el Dr. Extavour. “Con la misma frecuencia en el descubrimiento científico, necesitamos revelarnos a personas que no están tan comprometidas con ningún resultado en particular”.

El Dr. Extavour dijo que las preguntas formuladas por los matemáticos estaban “libres de todo tipo de sesgo”. “Estas son las preguntas más emocionantes”.

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