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9 de Enero de 2019
Biología

Un viejo patrón de Turing para que se hagan plumas, pelo y, ahora, dentículos de tiburón

Un conjunto primordial de herramientas para el desarrollo, compartido por los vertebrados y descrito por una teoría del matemático Alan Turing, determina el patrón de crecimiento de todo tipo de estructuras de la piel.

Los dentículos de la cabeza de un tiburón joven [Rory Cooper, Kyle Martin, Amim Garbout, fragmento].

En 1952, bien antes de que los biólogos del desarrollo hablasen de genes Hox y de factores de transcripción, antes incluso de que supiesen cómo era la estructura del ADN, Alan Turing tuvo una idea. El célebre matemático, que apresuró el final de la Segunda Guerra Mundial al descifrar el código Enigma, puso también su atención en el mundo natural y concibió un elegante modelo matemático de la formación de patrones. Su teoría esbozaba cómo podrían formarse las infinitas variedades de franjas, manchas y escamas de los animales mediante la interacción de dos agentes químicos, o «morfogenes», simples e hipotéticos.

Pasarían muchos años antes de que los biólogos pensaran en serio que esta teoría matemática podría explicar de verdad un sinfín de fenómenos biológicos. El desarrollo del pelo de mamíferos, de las plumas de aves, incluso de esas crestas que hay en el paladar, obedece a mecanismos semejantes al de Turing.

Ahora se añaden a la lista los dentículos, esas protuberancias que recuerdan a unos dientes y que cubren la piel de los tiburones. Unos investigadores de la Universidad de Florida han descubierto hace poco que los dentículos de los tiburones se disponen gracias a un mecanismo del tipo del de Turing y dirigido por los mismos genes que se encargan de la formación del patrón de las plumas. Según Gareth Fraser, el investigador que dirigió el estudio, este da a entender que los embriones en desarrollo de las diversas especies con espina dorsal generan patrones de rasgos en sus capas exteriores de tejido de la misma manera, mediante un mecanismo de creación de patrones «al que probablemente llegó la evolución con los primeros vertebrados y que ha cambiado poco desde entonces».

Esta imagen de un alevín de pintarroja está tintada para que se vea su patrón de dentículos, sus «dientes de la piel». Dos filas paralelas cerca de la aleta dorsal muestran dónde se inició el desarrollo de los dentículos. Estos se extienden entonces para cubrir el resto del cuerpo conforme a un mecanismo similar al definido por Turing [Alexandre Thiery, University of Sheffield].«La belleza de este trabajo reside en que muestre que podría haber una conservación muy fuerte de este mecanismo para la formación lo mismo de los dentículos de los tiburones que de las plumas de los pájaros», según Alexander Schier, biólogo del desarrollo, de Harvard, que no participó en el estudio. Este apunta a una idea cada vez más frecuente en la biología del desarrollo: que «la naturaleza tiende a inventar algo y luego hace variaciones sobre ese tema», como dice Schier.

El modelo de Turing, que recibe el nombre de mecanismo de difusión-reacción, es hermosamente simple. Solo requiere dos agentes interactivos, un activador y un inhibidor, que se difundan a través de un tejido como una gota de tinta en el agua. El activador inicia un proceso, la formación de una mancha, por ejemplo, e incita su propia producción. El inhibidor detiene ambas acciones. Lo fundamental es que el inhibidor se disemine por el tejido más deprisa que el activador. Esa difusión más rápida del inhibidor impide que las bolsas de activación se desborden. Dependiendo de cuándo y dónde, exactamente, se liberen el activador y el inhibidor, las bolsas de activación se dispondrán como manchas, franjas u otros patrones regularmente espaciados. 

Imagen detallada de los dentículos de un alevín de tiburón (<em>arriba</em>) muestra que se imbrican como escamas para hacerle una armadura al cuerpo. Un escaneo (<em>abajo</em>) descubre el patrón de Turing en la manera en que están dispuestos [Rory Copper (izquierda);renderizado por Rory Cooper, escaneado por Kyle Martin y Amin Garbout, de El Centro de Toma de Imágenes y Análisis, Museo de Historia Natural, Londres].Catherine Boisvert, bióloga del desarrollo de la Universidad Curtin, en Australia, explica que este sistema de activación-inhibición es un motivo potente en el desarrollo. Si se intenta construir una estructura completamente formada, una pluma o un dentículo, por ejemplo, «no se puede tener un abarrotamiento», dice. «Sin la interposición de un espaciado nunca se obtendrá un ente bien diferenciado».

Según Schier, el modelo de Turing apasiona a los biólogos del desarrollo porque «pese a su simplicidad puede explicar un montón de patrones diversos». Sin embargo, en la práctica hay muy pocos ejemplos de generación de patrones naturales que se hayan podido atribuir sin vuelta de hoja a un mecanismo del tipo del de Turing.

Dos de esos ejemplos son los patrones que determinan las posiciones de los folículos del pelo de los ratones y las plumas de las gallinas. Durante el desarrollo del pollo, las protoplumas brotan secuencialmente y forman una sola línea recta a lo largo de su lomo. Esa fila inicial estimula la producción de filas paralelas que caen por los costados del embrión hasta que queda cubierto. Lo decisivo aquí es que se conocen las moléculas que desempeñan los papeles de activador y de inhibidor, lo que confirma que el proceso es del tipo del de Turing.

Rory Cooper, estudiante de doctorado del laboratorio de Fraser, pensó que parecía que los dentículos del tiburón se desarrollaban de manera parecida. Sin embargo, los tiburones y sus primos, las rayas y otros batoideos, divergieron del resto de los vertebrados hace 450 millones de años.

«Se encuentran en un lugar muy interesante del árbol de la vida», dice Cooper cuando explica que los tiburones ofrecen una vista del desarrollo temprano de los vertebrados. Cientos de millones de años antes de que a los mamíferos les saliese el pelo y a las aves las plumas, los tiburones tenían dentículos que cubrían su piel como una armadura. (Son el linaje de vertebrados más antiguo viviente que tenga algún tipo de aditamento de la piel). Los patrones, formas y funciones de los dentículos son diversos: unos dentículos densamente superpuestos ofrecen a algunos tiburones una protección adicional, mientras que otros más ralos y tersos reducen la resistencia hidrodinámica de tiburones más ágiles. En algunas especies de tiburones, los dentículos albergan incluso bacterias bioluminiscentes que sirven para la comunicación. No obstante, pese a algunas diferencias menores, las semejanzas en la formación de patrones durante el desarrollo entre los dentículos, el pelo y las plumas son innegables.

Para demostar que el patrón de los dentículos de los tiburones podria surgir en principio de un mecanismo del tipo del de Turing, los colaboradores de Fraser elaboraron un modelo matemático de las interacciones entre el activador y el inhibidor. Jugaron con los ritmos de la difusión, la producción y la degradación de los dos morfogenes hasta que el modelo generó patrones que coincidían con los de la piel de los tiburones en desarrollo. «El modelo nos dijo que, en teoría, un mecanismo del tipo del de Turing podría explicar la formación de patrones en los tiburones», afirma Cooper. 

Los fundamentos moleculares del desarrollo de los dentículos no era conocido, al contrario que para las plumas. Pero dada la semejanza del desarrollo, los genes de gallina eran un buen sitio para empezar. Cuando Cooper usó la hibridización in situ, una técnica que puede iluminar la expresión de los genes en el tejido en desarrollo, vio que los mismos genes se activan durante la formación del patrón en las gallinas y los tiburones. «No solo se expresan esos genes cuando brotan [los dentículos], sino que se expresan en las mismas capas de tejido, así que se tiene una conservación bien fuerte», dicer Cooper.

Demostrar una expresión genética similar para procesos similares es un buen primer paso, pero la prueba por excelencia en la biología del desarrollo es un experimento de eliminación: si se reduce o elimina la expresión de un gen y el patrón desaparece, es que ese gen debe de desempeñar un papel importante en la producción del patrón. Para ello, Cooper cargó unos granos diminutos con una sustancia química que inhibe el activador de la pluma de la gallina, los implantó a lo largo de los protodentículos del embrión del tiburón y observó mientras este crecía.

Los resultados fueron claros. Los granos, diseñados para inhibir la expresión de los genes del activador en un ave, pudieron atravesar cientos de millones de años de evolución y ejercer un efecto idéntico en un tiburón. Cooper encontró que la expresión del gen del activador se venía abajo junto a los granos, con lo que se formaba una «zona muerta» carente de dentículos.

«Los resultados de estas manipulaciones ofrecen un argumento muy poderoso a favor de que este mecanismo se conserva profundamente», sostiene Schier.

Para comprobar que un mecanismo del tipo del de Turing puede crear la amplia gama de patrones de dentículos vistos en otros tiburones y su parentela, los investigadores fueron modificando en su modelo los ritmos de producción, degradación y difusión del activador y del inhibidor. Hallaron que cambios bastante simples podían generar patrones que coincidían con buena parte de la diversidad que se ve en el linaje. Las rayas, por ejemplo, tienden a tener dentículos con patrones más ralos; pues bien, incrementando el ritmo de producción o disminuyendo el de degradación del inhibidor, lograron que apareciesen patrones más ralos.

Una vez se establece el patrón inicial, otros mecanismos, que ya no son del tipo del de Turing, completan la transformación de esas filas en dentículos completamente formados, o en plumas o en otros aditamentos epiteliales. «Se tienen esos mecanismos reguladores maestros profundamente conservados que actúan pronto en el desarrollo de esos aditamentos», explica Boisvert, «pero para refinar las estructuras entran en acción, corriente adelante del proceso, mecanismos propios de cada especie». Con todo, Boisvert recalca lo notable que es que el mecanismo que subyace a tantos patrones biológicos diferentes fuese teorizado «por un matemático sin formación biológica en una época en que se sabía poco de biología molecular».

Los mecanismos de Turing no solo son teóricamente los únicos medios de construir patrones; parece además que la naturaleza realmente los prefiere. Según Fraser, que tantos grupos de organismos tan distintos confíen en ellos hace pensar que debe actuar algún tipo de restricción. «Sencillamente, puede que no haya muchas formas de crear un patrón en algo», afirma. Una vez que emerge un sistema, especialmente uno tan simple y potente como el mecanismo de Turing, la naturaleza tira adelante con él y no mira atrás.

«La diversidad biológica, allá donde se mire, se basa en un conjunto bastante restringido de principios que parecen funcionar y que se reutilizan una y otra vez en la evolución», dice Fraser. La naturaleza, con toda su exuberante inventiva, quizá sea más conservadora de lo que creíamos.

Jonathan Lambert / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «An ancient Turing-like patterning mechanism regulates skin denticle development in sharks», de Rory L. Cooper et al. en Science Advances, vol. 4, núm. 11, eaau584. 

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