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Elogian estudio sobre patrones biológicos hecho en el IFUNAM

Aleida Rueda
26/nov/2012

Lorena Caballero, estudiante de doctorado del Instituto de Física, no puede evitar su emoción. Y no es para menos: uno de los grandes eruditos en Biología Matemática a nivel mundial ha descrito su trabajo como "seminal" y una de las contribuciones más importantes y emocionantes en el campo.

El artículo "Un modelo epigenético para el patrón de pigmentación basado en las interacciones celulares y mecánicas", que sintetiza el trabajo de doctorado de Caballero bajo la tutela de Germinal Cocho, investigador del IFUNAM, fue leído y elogiado por James Murray, matemático inglés y profesor emérito de las universidades de Washington y de Oxford, reconocido por muchos como uno de los padres contemporáneos de la Biología Matemática.

El trabajo, publicado en el Journal of Experimental Zoology, "es una contribución importante y muy emocionante en el campo de la formación de patrones biológicos", escribió Murray a Caballero por correo electrónico.

"Aunque he trabajado en cosas muy diferentes desde hace muchos años, sólo quería decirle el gran placer que me ha dado el trabajo suyo y de sus colegas", escribió el matemático.

Esos colegas son importantes investigadores mexicanos: Germinal Cocho, Mariana Benítez, Elena Álvarez Buylla y Sergio Hernández, quienes forman parte del Centro de Ciencias de la Complejidad de la UNAM; y Alejandro V. Arzola, egresado del IFUNAM, quien actualmente hace su posdoctorado en la República Checa.

Con ellos, Caballero logró lo que para Murray es tan emocionante: "integrar en un modelo resultados biológicos sobre formación de patrones luego de 40 años, desde que el papel de (Alan) Turing fue redescubierto en la década de 1960", cuando se observaron sus predicciones sobre la base química de la morfogénesis.

"Normalmente, los patrones de color en animales se trabajan desde un punto de vista teórico con modelos de reacción-difusión", explica Caballero. Pero "esta es una visión distinta, es una visión más bien morfomecánica. Tiene una parte de física, porque proponemos un modelo basado en un proceso de minimización de energía, pero está sustentado en información biológica. No es un modelo que asume cosas que biológicamente no existen, sino que cada aspecto del modelo que nosotros proponemos como mecanismo físico subyacente a la emergencia de patrones, está sustentado por trabajo experimental", dice la investigadora.

En el artículo, Caballero propone un modelo epigenético para entender el desarrollo de la formación de patrones de color en especies animales, como reptiles, anfibios y peces. Para ello, propone hablar de epigenética (-epi, sobre y -genética) en términos que van más allá de las modificaciones heredables del DNA (ácido desoxirribonucleico).

La autora usa el término epigenética para referirse, además, a todos los procesos físicos que incluyen la comunicación celular, las interacciones de las células con el ambiente, la tensegridad (que se refiere a la compresión de componentes en una red tensa continua), etcétera, y que dan como resultado, por ejemplo, mecanismos de atracción-repulsión y tensión-compresión en el sistema.

Con estos antecedentes, Caballero establece una explicación para la formación de patrones de color: todo inicia en una base fibrosa y viscoelástica conocida como tejido mesenquimal (o mesénquima), que es el tejido del que derivarán la formación de otros tejidos, órganos cardiovasculares y vasos sanguíneos.

En ese tejido, las células que contienen pigmento conocidas como cromatóforos "migran y se adhieren", lo que hace que "reorienten las fibras del mesénquima y deformen el tejido hasta originar líneas de tensión”, dice el artículo. Estas líneas "se convierten en guías para la subsecuente migración y acumulación de más células", lo que a la larga puede resultar en la expresión de patrones de color.

Lorena explica el proceso comparándolo con la formación de gotas de agua. Es fácil ver cómo una gota de agua al entrar en contacto con otra o con una superficie, cambia de forma como resultado de las fuerzas de adhesión y cohesión. Así, se acumulan moléculas en ciertas regiones y dan lugar a formas estereotípicas. Igual sucede, dice, con los cromatóforos en el tejido mesenquimal.

Caballero y sus colegas diseñaron un modelo físico que toma en cuenta estas fuerzas para predecir patrones de color en la naturaleza. De manera general, dice la investigadora, hay patrones observados en muchas especies de animales: rayas horizontales, rayas verticales, manchas redondas, rombos. "Son figuras geométricas que varían pero que están en un mismo grupo de formas, no es que haya 200 mil formas diferentes. Hay un patrón. Por eso se puede generar un modelo, porque existen formas conservadas", explica.


La variedad de patrones de color en la piel de las serpientes (puntos circulares, puntos semicirculares, anillos completos alrededor del cuerpo, puntos poligonales, patrones triangualres, etcétera), sugieren los distintos tipos de interacciones entre las células.

"Eso es una de las cosas más valiosas del trabajo: tenemos un modelo físico sencillo, que no asusta, para explicar parte importante de la complejidad biológica y la emergencia de las formas", dijo la investigadora en entrevista para Noticias IFUNAM.

De acuerdo con ella, la contribución más importante de su trabajo es la evidencia de que los sistemas biológicos utilizan mecanismos físicos para generar patrones, ya no sólo de color, sino, muy posiblemente, patrones generales básicos de la morfogénesis a partir de la interacción entre la dinámica celular y las interacciones mecánicas. Y es justamente por eso que James Murray ha decidido, escribió en el correo, hablar de él en sus conferencias subsecuentes.