Sistemas biológicos bajo la lupa: cómo un pequeño gusano puede transformar la investigación moderna

La garganta del gusano redondo Caenorhabditis elegans puede parecer un lugar extraño para explorar la complejidad de los mecanismos de la vida, hasta que uno se da cuenta de la cantidad de información que se ha recopilado sobre estos diminutos nematodos en las últimas décadas. Esta riqueza de datos fue una de las principales razones por las que se eligió al gusano como foco de un nuevo estudio del Instituto Weizmann de Ciencias que demuestra el poder de los modelos matemáticos y algorítmicos para permitir una comprensión detallada y de alta resolución de los sistemas biológicos.

En el estudio, la doctora Dana Sherman y el profesor David Harel del Departamento de Ciencias Informáticas y Matemáticas Aplicadas de Weizmann construyeron un modelo matemático del comportamiento del órgano de alimentación del nematodo, la faringe, con el fin de simular y analizar con gran detalle la forma en que se generan sus movimientos de deglución. Además de arrojar nueva luz sobre la dinámica de este proceso, el estudio demuestra cómo las simulaciones por ordenador pueden, en cuestión de minutos, ayudar a realizar experimentos biológicos que habrían llevado años en el laboratorio, si es que fueran factibles.

Los nematodos, también conocidos como gusanos redondos, son uno de los grupos de animales más diversos y abundantes de la Tierra. Se estima que comprenden más de un millón de especies y se encuentran en prácticamente todos los ecosistemas. Se estima que por cada ser humano en el planeta hay unos 60 mil millones de nematodos.

Una superestrella modelo

Con un cuerpo transparente y apenas 1000 células, C. elegans es una superestrella científica que ha facilitado descubrimientos revolucionarios en biología, incluidos varios que le han valido el Premio Nobel. Su genoma fue el primero en secuenciarse completamente entre organismos multicelulares, lo que permitió estudios genéticos detallados, y su físico es ideal para la observación en tiempo real de los procesos biológicos.

Los científicos también han cartografiado todo su diagrama de cableado neuronal y su linaje celular. Por si fuera poco, C. elegans comparte muchas vías biológicas con los humanos, lo que lo convierte en un modelo excelente para comprender procesos fundamentales como el envejecimiento, la neurobiología y la diferenciación celular.

La faringe del gusano, un órgano muscular compuesto por varias decenas de células, realiza movimientos de bombeo que dan lugar a la ingesta de partículas de alimento del entorno. En el nuevo estudio, Sherman y Harel recurrieron a las matemáticas clásicas para construir un modelo de bombeo, utilizando un enfoque de abajo a arriba, es decir, partiendo de los componentes básicos para reconstruir un sistema más grande.

Estos componentes y parámetros incluían datos sobre, entre otras cosas, varios tipos de células musculares de la garganta, neuronas que envían señales a los músculos, la propagación de estas señales y las concentraciones de diferentes iones en las células musculares. El modelo también incluía una descripción del flujo de líquidos y partículas de alimento a través de la garganta del gusano.

Uno podría preguntarse, sin embargo: ¿Por qué construir un modelo de algo que ya ha sido construido por la naturaleza?

"Los informáticos están acostumbrados a construir modelos que nos preparan para la construcción de objetos reales, como aviones o marcapasos", afirma Harel. "En cambio, nuestro modelo pretende explicar el comportamiento de un sistema biológico complejo existente. Si logras construir un modelo cuyo comportamiento coincida con todo lo que se sabe sobre el sistema, puedes ejecutar este modelo en condiciones diferentes y observar fenómenos desconocidos. Esto abre el camino a los experimentos de laboratorio, que pueden corroborar o refutar las predicciones del modelo".

Harel explica además que cuando se modela un sistema biológico, las manipulaciones simuladas de sus genes o células deben producir resultados que coincidan con lo que ya se sabe sobre ese sistema en la vida real. O, como él mismo dice, "si estás tratando de modelar el desarrollo de un páncreas, no deberías terminar con algo que se parezca a un dedo meñique".

Impulsando el sistema

Fruto de seis años de investigación, el nuevo modelo del Instituto Weizmann ofrece una descripción exhaustiva de los mecanismos que generan el movimiento en las distintas zonas de la faringe del gusano, lo que permite realizar análisis cuantitativos de la faringe en su conjunto y de sus diferentes componentes. De este modo, el modelo ofrece una explicación detallada del funcionamiento de la faringe, algo que hasta ahora no se había intentado de forma exhaustiva.

Por ejemplo, se sabía que las contracciones y relajaciones que forman los movimientos de bombeo de la faringe no están perfectamente sincronizadas: las contracciones comienzan en diferentes puntos del tiempo en varias partes de la garganta y se propagan por estas partes a diferentes velocidades. Sin embargo, también se sabía que las señales neuronales que inician las contracciones faríngeas se propagan muy rápidamente, casi en simultáneo por todo el órgano. Si las contracciones siguieron de cerca a esas señales neuronales, deberían haber ocurrido de manera casi sincronizada. El modelo pudo sugerir un mecanismo para explicar esa dinámica aparentemente contradictoria.

Además, el modelo proporcionó una evaluación cuantitativa de muchos parámetros que no estaba disponible anteriormente y explicó con una resolución fina la interacción entre los diversos músculos, tanto dentro de cada área de la garganta como entre diferentes áreas.

Otros análisis sugirieron que las células ubicadas en los márgenes de la garganta desempeñan un papel en su función y no solo en su estructura, como se supone actualmente. Además, el modelo predijo que en organismos diminutos como C. elegans, la generación de una señal eléctrica de larga duración, como la producida dentro de los músculos faríngeos, debe involucrar iones distintos del calcio.

Por último, los científicos utilizaron su modelo para realizar experimentos mediante simulaciones por ordenador, denominadas "in silico", en alusión a los experimentos in vitro e in vivo habituales en biología. Los investigadores emplearon estas simulaciones para comprobar, por ejemplo, cómo los cambios en el tamaño o la forma geométrica de la garganta afectarían al flujo de partículas durante la deglución. Aparte de su ejecución casi instantánea, estos experimentos in silico demuestran otra ventaja de los modelos matemáticos: permiten manipulaciones arbitrarias, incluso aquellas que son inviables en el laboratorio.

Las predicciones realizadas por el modelo podrían indicar futuras direcciones prometedoras para la investigación sobre la biología de C. elegans, pero el pequeño gusano también puede seguir iluminando el intrincado funcionamiento de la vida en un sentido más amplio, al ayudar a revelar cómo funcionan órganos completos en otros organismos. Como escriben los investigadores en su informe, esperan que su enfoque matemático "permita a los no especialistas utilizar este tipo de modelado para estudiar otros sistemas biológicos".