Cómo los genes han aprovechado la física para el crecimiento de los seres vivos

Sus observaciones revelaron que las células ascienden por las paredes del gastruloide y luego forman un flujo de tejido que desciende por el centro. A Lenne, el sistema le recordó a una gota, y al revisar la bibliografía sobre la tensión superficial en una gota en movimiento, dio con el efecto Marangoni.

La descripción del efecto Marangoni realizada por James Thomson en 1855 explicaba cómo, al entrar en contacto dos líquidos con diferente tensión superficial, el fluido con mayor tensión superficial ejerce una fuerza sobre el otro. Esto se debe a que la tensión superficial es simplemente la tendencia de las moléculas más externas de un fluido a ser atraídas hacia el interior por las moléculas vecinas. Cuando dos fluidos se encuentran, el de mayor tensión superficial ejerce una fuerza de atracción mayor, por lo que el de menor tensión superficial se mueve en la dirección del primero. En una copa de vino, el alcohol de las paredes mojadas se evapora rápidamente, dejando un líquido más acuoso. El agua tiene una tensión superficial mayor que el alcohol, por lo que las paredes acuosas arrastran el vino hacia la superficie de la copa. Finalmente, cae por su propio peso, formando pequeñas gotas.

Este flujo del vino, que asciende por las paredes y desciende de nuevo, es similar al flujo del tejido en el gastruloide. De hecho, cuando el equipo probó un modelo de flujo tisular del gastruloide tipo Marangoni, encontraron una concordancia sorprendente con sus datos experimentales.

El flujo de Marangoni es un efecto mecánico, pero los genes también intervienen: determinan la diferencia de tensión superficial. Inicialmente, los genes producen una mayor concentración de dos proteínas específicas en una parte del cúmulo celular. Estas proteínas generan una menor tensión superficial, lo que provoca que el tejido fluya desde esa región. El tejido se mueve alrededor de la periferia del gastruloide antes de recircular por su centro, como las lágrimas de vino que resbalan por el lateral de una copa. Este proceso alarga el gastruloide. Es “un excelente ejemplo de cómo la mecánica, junto con toda la complejidad intrínseca de la biología molecular y celular, desempeña un papel fundamental en la formación de los organismos”, añadió Kabla.

Escamas de pluma

En 2017, Alan Rodrigues y Amy Shyer no lograron encontrar lo que buscaban. Ambos, codirectores del Laboratorio de Morfogénesis de la Universidad Rockefeller, intentaban averiguar cómo se origina la distribución regular del plumaje de las aves. La teoría más aceptada entonces era que los embriones de aves secretan moléculas especiales llamadas morfógenos a través de sus tejidos cutáneos. Estos morfógenos, a su vez, activarían los genes para que produjeran proteínas en los lugares adecuados para formar folículos. Sin embargo, los investigadores no pudieron encontrar ninguna señal genética que iniciara el proceso.

Amy Shyer y Alan Rodrigues, codirectores del Laboratorio de Morfogénesis de la Universidad Rockefeller, se han enfocado en el papel de la mecánica en la formación de los folículos de las plumas de las aves.

Cortesía de Amy Shyer; Cortesía de Alan Rodrigues

Comenzaron a sospechar que las fuerzas mecánicas y de tracción desempeñaban un papel importante. En un informe publicado en Science en 2023, su equipo descubrió que, efectivamente, se secretaban morfógenos justo antes de que comenzara a brotar un folículo de la pluma. Sin embargo, los morfógenos no parecían influir en el desarrollo a nivel de células individuales, sino en grandes extensiones de tejido. Los morfógenos afectaban las propiedades del tejido, preparando el terreno para que las fuerzas mecánicas ejercieran presión y tracción sobre este, dando lugar al patrón del folículo.

“Lo que realmente nos impresionó es que uno pueda funcionar con una cantidad relativamente simple de instrucciones a nivel genético y molecular”, expresó Rodrigues. “Porque existen procesos y propiedades emergentes adicionales que ocurren en otros niveles”.