Una fuerza invisible comienza la vida.

Los científicos estudian cómo las fuerzas de fricción impulsan la evolución de los organismos marinos.

Cuando un alfarero trabaja en una rueca, la fricción entre sus manos y la arcilla blanda le ayuda a darle forma a todo tipo de formas y creaciones. En un paralelo fascinante, los ovocitos marinos (óvulos inmaduros) aprovechan la fricción dentro de diferentes compartimentos dentro de sí mismos para sufrir cambios de desarrollo después de la concepción. Un estudio realizado por el grupo de Heisenberg en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), publicado en Física de la naturalezaahora describe cómo funciona esto.

Ascidias adheridas a los arrecifes de coral. El organismo marino es un modelo excelente para estudiar los procesos de desarrollo de los vertebrados.

Diversa vida marina: el mundo de las ascidias

El mar está lleno de maravillosas formas de vida. Desde algas y peces de colores hasta caracoles y ascidias, bajo el agua se revela un mundo completamente diferente. Las ascidias, o en particular las ascidias, son muy inusuales: después de la etapa larvaria que se mueve libremente, la larva se asienta y se adhiere a superficies duras como rocas o corales, desarrollando tubos (sifones), que son su característica distintiva. Aunque de adultos parecen bolas de goma, son los parientes invertebrados más cercanos a los humanos. Especialmente en su estado larvario, las ascidias son sorprendentemente similares a nosotros.

Por lo tanto, los ascetas se utilizan a menudo como organismos modelo para estudiar el desarrollo embrionario temprano. Vertebrados Al que pertenecen los humanos. «Si bien las ascidias exhiben características morfológicas y de desarrollo básicas de los vertebrados, también tienen la simplicidad celular y genómica típica de los vertebrados». Invertebrados«En particular, la larva de ascidia es un modelo ideal para comprender el desarrollo temprano de los vertebrados», explica Carl Philipp Heisenberg, profesor del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA).

Los investigadores marcaron la proteína actina en la corteza de actomiosina (izquierda, tinción verde) y el mioplasma (derecha, tinción azul) para visualizar su movimiento después de la fertilización del óvulo. Cuando la cáscara de actomiosina en la región inferior del óvulo se mueve, interactúa mecánicamente con el mioplasma, provocando que se doble. Las hebillas eventualmente se disuelven en el polo de contracción. Crédito: © Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

El trabajo más reciente de su grupo de investigación, publicado en Física de la naturaleza, ahora proporciona nuevos conocimientos sobre su desarrollo. Los resultados indican que cuando los huevos de ascetas son fertilizados, las fuerzas de fricción desempeñan un papel crucial en la remodelación y reorganización de sus interiores, presagiando los siguientes pasos en su cascada de desarrollo.

Descifrando la metamorfosis del huevo

Los óvulos son células germinales femeninas implicadas en la reproducción. Después de una fertilización exitosa por parte del espermatozoide masculino, los óvulos animales suelen sufrir una reorganización citoplasmática, cambiando su contenido y componentes celulares. Este proceso sienta un modelo para el desarrollo posterior del feto. Por ejemplo, en el caso de los ascetas, esta modificación conduce a la formación de una protuberancia acampanada -una pequeña protuberancia o forma nasal- conocida como polo de contracción (CP), donde se acumulan sustancias esenciales que facilitan la maduración fetal. Pero se desconoce el mecanismo subyacente que impulsa este proceso.

Formación de un polo de contracción. Lapso de tiempo microscópico de los cambios en la forma de las células en ovocitos xenoinjertados después de la fertilización: desde el óvulo no fertilizado hasta el inicio del polo de contracción, la formación del polo de contracción y la reabsorción del polo de contracción. Crédito: ©Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Un grupo de científicos del ISTA, la Universidad de la Ciudad de París, el CNRS, el King's College de Londres y la Sorbona se propusieron desentrañar este misterio. Para ello, el Grupo Heisenberg importó ascidias adultas de la terminal marítima de Roscoff en Francia. Casi todas las ascidias son hermafroditas, ya que producen células germinales tanto masculinas como femeninas. “En el laboratorio los guardamos en tanques de agua salada en un Clasificar«Una forma cómoda de obtener óvulos y espermatozoides para estudiar su desarrollo embrionario temprano», afirma Silvia Caballero Mancebo, primera autora de este estudio y ex estudiante de doctorado en el laboratorio de Heisenberg.

Formación de un polo de contracción. Time-lapse microscópico de los cambios en la forma de las células en ovocitos ascéticos después de la fertilización: desde un óvulo no fertilizado (primera imagen desde la izquierda) hasta el inicio del polo de contracción (segunda y tercera imágenes desde la izquierda) y la formación del polo de contracción (cuarta imagen desde la izquierda). Crédito: © Caballero-Mancebo et al./Física de la naturaleza

Los científicos analizaron microscópicamente los óvulos ascetas fertilizados y descubrieron que seguían cambios altamente reproducibles en la forma de las células que conducen a la formación del polo contráctil. La primera investigación de los investigadores se centró en la corteza de actomiosina (célula), una estructura dinámica que se encuentra debajo de la membrana celular en las células animales. Consiste en filamentos de actina y proteínas motoras y generalmente actúa como motor para los cambios de forma en las células.

«Descubrimos que cuando las células son fertilizadas, el aumento de la tensión en la corteza de actomiosina hace que se contraigan, lo que desencadena su movimiento (flujo), lo que lleva a los cambios iniciales en la forma de las células», continúa Caballero-Mancebo. Sin embargo, el flujo de actomiosina cesó durante la expansión del polo de contracción, lo que sugiere que hay actores adicionales responsables de la protrusión.

Silvia Caballero Mancebo. El graduado de ISTA encuentra un gran placer en resolver los misterios de la naturaleza y convertirlos en novelas. Crédito de la imagen: © Nadine Boncioni/ISTA

Las fuerzas de fricción afectan la remodelación celular.

Los científicos observaron más de cerca otros componentes celulares que pueden desempeñar un papel en la expansión de los polos de contracción. Al hacerlo, encontraron el mioplasma, una capa formada por orgánulos y moléculas intracelulares (cuyas formas relacionadas se encuentran en muchos huevos de vertebrados e invertebrados), centrada en la región inferior del óvulo ascético. «Esta capa específica se comporta como un material sólido y estirable, cambia de forma con el óvulo durante la fertilización», explica Caballero-Mancebo.

Carl Philipp Heisenberg en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA). El grupo de investigación de biólogos celulares del ISTA estudia las ascidias y el pez cebra e intenta comprender cómo grupos desorganizados de células se transforman en formas elaboradas a medida que se desarrollan. Crédito de la imagen: © Nadine Boncioni/ISTA

Durante el flujo de la capa de actomiosina, el mioplasma se pliega y forma numerosas curvas debido a las fuerzas de fricción existentes entre los dos componentes. Cuando se detiene el movimiento de la actomiosina, las fuerzas de fricción también desaparecen. «Esta detención eventualmente conduce a la expansión del polo de contracción a medida que múltiples hebillas mioplásmicas se disuelven en una protuberancia bien definida en forma de campana», agrega Caballero-Mancebo.

El estudio proporciona nuevos conocimientos sobre cómo las fuerzas mecánicas determinan la forma de las células y los organismos. Muestra que las fuerzas de fricción tienen un papel fundamental en la formación y formación de un organismo en desarrollo. Sin embargo, los científicos apenas están comenzando a comprender el papel específico de la fricción en el desarrollo embrionario. «El mioplasma también es interesante porque en los ascetas participa en otros procesos embrionarios. Será muy interesante explorar sus propiedades físicas inusuales y comprender su papel en la formación de las ascidias».

Referencia: “Las fuerzas de fricción determinan la reorganización citoplasmática y los cambios de forma de los ovocitos tras la fertilización” por Sylvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munroe, Matilda Perozzo, Gregory Zipp, Irene Stikari, David LaBrosse-Arias, Vanessa Zaiden, Jack Mirren, Andrew Callan Jones, Rafael Voitoris y Carl Philipp Heisenberg, 9 de enero de 2024, Física de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41567-023-02302-1