Diferenciación Celular y Matemáticas

Diferenciación Celular y Matemáticas
Juan Antonio Ruiz Santiesteban
En los últimos años, la biología ha explorando nuevas maneras de plantear sus
experimentos y buscar respuestas, con el advenimiento de las tecnologías que permiten
producir datos biológicos de manera masiva como lo es la secuenciación de ADN y la
comercialización de maquinas con capacidades de computo capaces de analizar tal
información, el quehacer de la investigación biomédica comúnmente consiste en
integrar información de índole bioquímico, genético y principios matemáticos complejos
para resolver preguntas que hace algunos años no hubieran podido responderse. Un
ejemplo de esta forma de trabajo es desarrollado por el Dr. Pablo Padilla del Instituto de
Investigaciones en Matemáticas Aplicadas y en Sistemas, que ha hecho importantes
contribuciones a la genética del desarrollo modelando sistemas dinámicos basados en
datos biológicos.
El como la actividad dinámica de los genes regula y guía los caminos de
diferenciación por los que pasa una célula y sus hijas hasta formar un tejido u
organismo completo durante el desarrollo, fue hipotetizado usando una creativa
analogía hace ya algunos años por el biólogo inglés Conrad Hal Waddington. Él decía
que este proceso podía verse como el dejar rodar una pelota sobre una ladera con
muchos montes y depresiones en su superficie, refiriéndose a que conforme avanza
esta pelota ladera abajo, ésta siempre puede ir eligiendo caminos distintos y
relacionados a los que ya se ha comprometido parcialmente hasta llegar a una
depresión lo suficientemente cóncava como para detener su trayectoria. Con estás
depresiones donde la pelota se frenaba, Waddington hacía referencia a los distintos
tipos de células o tejidos que se van diferenciando a lo largo del desarrollo. Esta idea ha
sido retomada por el Dr. Pablo Padilla que analizando la actividad de muchos genes a la
vez y como cambia esta durante el desarrollo en embriones de ratón, es posible
predecir cuando se caerá en una de las supuestas laderas, o sea, cuando las células se
comprometerán a un tipo celular. Sumando a estos experimentos un método
matemático llamado análisis de componentes principales que consiste en detectar
cuales son las condiciones de un experimento que al cambiarlas contribuyen a la
variabilidad del resultado, ha descubierto que el compromiso a diversos tipos celulares
aparece justo después de las primeras divisiones del embrión incluso antes de
implantarse en el útero, contrario a lo que antes se pensaba donde la primera
diferenciación aparecía hasta que había decenas de células en el embrión.
Otro caso biológico dónde el Dr. Pablo Padilla ha aplicado dicho enfoque
matemático y de sistemas, es en una planta mexicana que últimamente ha llamado la
atención de toda la comunidad científica. Es bien sabido que todas las plantas con flor,
desarrollan sus órganos reproductivos bajo una misma arquitectura, es decir, si
observamos una flor de “afuera hacia adentro” encontraremos primero esos pequeños
apéndices parecidos a hojas llamados sépalos, enseguida los coloridos pétalos, luego
de éstos se encuentran los estambres componiendo la parte masculina, y justo en el
centro de la flor están los carpelos como la parte femenina. Sin embargo, en la Selva
Lacandona en Chiapas existe una planta cuyas flores son la excepción a la regla. En tal
planta, Lacandonia schismatica, los estambres se encuentran en medio de los carpelos
y no al revés como ocurre en las más de doscientas mil plantas con flor conocidas. Esta
extraña particularidad la ha convertido en un interesante un modelo para estudiar qué
mecanismos están implicados en la diferenciación de los grupos de células que dan
lugar a las flores, y la dinámica espacio-temporal que los rige, siendo eso te interés para
su grupo.
De la planta modelo Arabidopsis thaliana se conocen muchos de los genes que
se activan durante la formación de las flores, y más importante aún, se conoce la
manera en que regulan su actividad entre ellos. Cuando se cuenta con información de
este tipo es posible crear redes de regulación a las que dándoles un estado inicial, es
decir, indicando que genes estarán activos y cuales reprimidos al inicio de un
experimento, es posible predecir a que combinación de genes se encontrarán activos
después de un tiempo. Estas redes están compuestas por nodos y aristas, donde los
nodos (puntos de la red) representan los genes que pueden estar activos o inactivos y
las aristas (líneas que los conectan) indican a que genes pueden activar o inactivar. En
la biología, quitar un nodo a una red de regulación genética es el equivalente a borrar
un gen del genoma de un organismo, por lo que hacer simulaciones de este tipo en
modelos de regulación lo suficientemente fidedignos es una excelente herramienta para
predecir los estados de diferenciación a los que pueden llegar las células sin necesidad
de hacer plantas mutantes para tales genes, ahorrando con esto mucho tiempo, trabajo
y dinero en los laboratorios. Usando este enfoque, el Dr. Pablo Padilla y su equipo de
investigación ya ha propuesto y comprobado nuevos genes reguladores del desarrollo
floral.