Biólogos sintéticos crean 'tejidos' que se construyen a sí mismos
Investigadores han demostrado la capacidad de programar grupos de células individuales para que se autoorganicen en estructuras de varias capas que recuerden organismos simples o las primeras etapas del desarrollo embrionario
¿Cómo emergen estructuras biológicas complejas, un ojo, una mano, un cerebro, de un único óvulo fertilizado? Esta es la cuestión fundamental de la biología del desarrollo y un misterio al que aún se enfrentan los científicos que esperan aplicar algún día los mismos principios para sanar tejidos dañados o regenerar órganos enfermos.
Ahora, en un estudio publicado este jueves en 'Science', investigadores han demostrado la capacidad de programar grupos de células individuales para que se autoorganicen en estructuras de varias capas que recuerden organismos simples o las primeras etapas del desarrollo embrionario.
"Lo que es sorprendente de la biología es que el ADN permite que todas las instrucciones necesarias para construir un elefante se empaqueten dentro de un embrión pequeño", afirma el autor principal del estudio Wendell Lim, presidente y profesor distinguido de Byers en el Departamento de Farmacología Celular y Molecular en UCSF, director del Centro para Sistemas y Biología Sintética financiado por los Institutos Nacionales de Salud estadounidenses (NIH, por sus siglas en inglés) y codirector del Centro para la Construcción Celular financiado por la Fundación Nacional de Ciencias.
"El ADN codifica un algoritmo para hacer crecer el organismo, una serie de instrucciones que se desarrollan en el tiempo de una manera que todavía no entendemos. Es fácil sentirse abrumado por la complejidad de los sistemas naturales, así que aquí nos propusimos comprender el conjunto mínimo de reglas para programar células que se auto-ensamblen en estructuras multicelulares", añade.
Una parte crítica del desarrollo es que, a medida que se forman las estructuras biológicas, las células se comunican entre sí y toman decisiones colectivas y coordinadas sobre cómo organizarse estructuralmente. Para imitar este proceso, la nueva investigación, dirigida por el investigador postdoctoral de la Universidad de California-San Francisco (UCSF), Estados Unidos, Satoshi Toda, en el laboratorio de Lim, se basó en una molécula de señalización sintética poderosamente personalizable llamada synNotch (receptor Notch sintético) recientemente desarrollada en el laboratorio de Lim, que permitió a los científicos programar células para responder a señales de comunicación célula-célula específicas con programas genéticos a medida.
Por ejemplo, al usar synNotch, los investigadores diseñaron células para responder a señales específicas de las células vecinas al producir moléculas de adhesión similares al velcro llamadas cadherinas, así como proteínas marcadoras fluorescentes. Sorprendentemente, solo unas pocas formas simples de comunicación celular colectiva fueron suficientes para provocar que los conjuntos de células cambien de color y se autoorganicen en estructuras de varias capas similares a organismos simples o tejidos en desarrollo.
PROGRAMACIÓN CELULAR
En su experimento más simple de este tipo, los investigadores programaron dos grupos de células para auto-organizarse en una esfera de dos capas. Comenzaron con un grupo de células azules que expresan una proteína de señalización en sus superficies, y un segundo grupo de células incoloras con un receptor synNotch personalizado programado para detectar esta señal proteica.
Cuando se aislaron unas de otras, estas poblaciones celulares no hicieron nada, pero cuando se mezclaron los dos grupos, las células azules activaron los receptores synNotch en las células claras y los desencadenaron para producir cadherinas adhesivas y una proteína marcadora verde llamada GFP. Como resultado, las células incoloras rápidamente comenzaron a ponerse verdes y se agruparon, formando un núcleo central rodeado por una capa externa de células azules asociadas.
Los investigadores continuaron programando grupos de células para autoensamblarse en formas cada vez más complejas, como construir esferas de tres capas o comenzar con un solo grupo de células que se clasificaron a sí mismas en dos grupos distintos antes de formar una esfera en capas. Incluso, diseñaron células que formaron el comienzo de la "polaridad": los distintos ejes frontales, izquierdos y derechos que definen los "planes corporales" de muchos organismos multicelulares, al expresar diferentes tipos de moléculas de adhesión de cadherina que instruyeron a los ensamblajes celulares a dividirse en secciones de "cabeza" y "cola" o para producir cuatro "brazos" radiales distintos.
Estas hazañas de programación celular más complejas demostraron que las células iniciadoras simples podrían programarse para desarrollarse a lo largo del tiempo y formar estructuras más complejas, al igual que un solo óvulo fertilizado se divide y diferencia para formar diferentes partes del cuerpo y distintos tejidos como piel, músculo, nervio, y hueso. El equipo de Lim mostró que estos complejos esferoides también se auto-reparaban: cuando los científicos cortaron los esferoides multicapa por la mitad con una micro-guillotina desarrollada por los coautores Lucas R. Blauch y Sindy Tang, de la Universidad de Stanford, las células restantes se reformaron rápidamente y se reorganizaron de acuerdo con su programa intrínseco.
SynNotch fue desarrollado originalmente en el laboratorio Lim por el coautor Kole Roybal, ahora profesor asistente de Microbiología e Inmunología en UCSF, y Leonardo Morsut, ahora profesor asistente de Biología de Células Madre y Medicina Regenerativa en la Universidad del Sur California y coautor correspondiente del nuevo documento.
