Cuando se fertiliza un óvulo de casi cualquier especie que se reproduzca sexualmente, se desencadena una serie de ondas que recorren la superficie del óvulo. Estas ondas son producidas por miles de millones de proteínas activadas que surgen a través de la membrana del huevo como corrientes de diminutos centinelas excavadores, lo que le indica al huevo que comience a dividirse, plegarse y dividirse nuevamente, para formar las primeras semillas celulares de un organismo.

Ahora, los científicos del MIT han analizado detalladamente el patrón de estas ondas, producidas en la superficie de los huevos de estrellas de mar. Estos huevos son grandes y, por lo tanto, fáciles de observar, y los científicos consideran que los huevos de estrellas de mar son representativos de los huevos de muchas otras especies animales.

En cada huevo, el equipo introdujo una proteína para imitar el inicio de la fertilización y registró el patrón de ondas que ondularon a través de sus superficies en respuesta. Observaron que cada ola emergía en un patrón en espiral y que múltiples espirales giraban sobre la superficie de un huevo a la vez. Algunas espirales aparecieron espontáneamente y se arremolinaron en direcciones opuestas, mientras que otras chocaron de frente y desaparecieron de inmediato.

Los investigadores se dieron cuenta de que el comportamiento de estos remolinos de ondas es similar al de las ondas generadas en otros sistemas aparentemente no relacionados, como los vórtices en los fluidos cuánticos, las circulaciones en la atmósfera y los océanos, y las señales eléctricas que se propagan a través del corazón y los océanos. cerebro.

"No se sabía mucho sobre la dinámica de estas ondas superficiales en los huevos, y después de que comenzamos a analizar y modelar estas ondas, encontramos que estos mismos patrones aparecen en todos estos otros sistemas", dice la física Nikta Fakhri, Thomas D. and Virginia W. Cabot Profesor asistente en el MIT. "Es una manifestación de este patrón de ondas muy universal".

"Abre una perspectiva completamente nueva ”, añade Jörn Dunkel, profesor asociado de matemáticas en el MIT. "Puede tomar prestadas muchas técnicas que la gente ha desarrollado para estudiar patrones similares en otros sistemas, para aprender algo sobre biología".

Fakhri y Dunkel han publicado hoy sus resultados en la revista Física de la naturaleza. Sus coautores son Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller y Melis Tekant del MIT.

Encontrar el centro de uno

Estudios anteriores han demostrado que la fertilización de un óvulo activa inmediatamente Rho-GTP, una proteína dentro del óvulo que normalmente flota en el citoplasma de la célula en un estado inactivo. Una vez activada, miles de millones de proteínas se elevan desde el pantano del citoplasma para adherirse a la membrana del huevo, serpenteando a lo largo de la pared en ondas.

“Imagínese si tiene un acuario muy sucio, y una vez que un pez nada cerca del cristal, puede verlo”, explica Dunkel. "De manera similar, las proteínas están en algún lugar dentro de la célula y, cuando se activan, se adhieren a la membrana y comienzas a ver cómo se mueven".

Fakhri dice que las ondas de proteínas que se mueven a través de la membrana del huevo sirven, en parte, para organizar la división celular alrededor del núcleo de la célula.

“El huevo es una célula enorme y estas proteínas tienen que trabajar juntas para encontrar su centro, de modo que la célula sepa dónde dividirse y plegarse, muchas veces, para formar un organismo”, dice Fakhri. "Sin estas proteínas haciendo olas, no habría división celular".

Los investigadores del MIT observan ondas en un huevo recién fertilizado que son similares a otros sistemas, desde las circulaciones oceánicas y atmosféricas hasta los fluidos cuánticos. Cortesía de los investigadores.

En su estudio, el equipo se centró en la forma activa de Rho-GTP y el patrón de ondas producidas en la superficie de un huevo cuando alteraron la concentración de proteína.

Para sus experimentos, obtuvieron unos 10 óvulos de los ovarios de estrellas de mar mediante un procedimiento quirúrgico mínimamente invasivo. Introdujeron una hormona para estimular la maduración y también inyectaron marcadores fluorescentes para adherirse a cualquier forma activa de Rho-GTP que surgiera en respuesta. Luego observaron cada huevo a través de un microscopio confocal y observaron cómo miles de millones de proteínas se activaban y ondulaban a través de la superficie del huevo en respuesta a concentraciones variables de la proteína hormonal artificial.

"De esta manera, creamos un caleidoscopio de diferentes patrones y observamos su dinámica resultante", dice Fakhri.

Pista de huracanes

Los investigadores primero ensamblaron videos en blanco y negro de cada huevo, mostrando las ondas brillantes que viajaban sobre su superficie. Cuanto más brillante sea una región en una onda, mayor será la concentración de Rho-GTP en esa región en particular. Para cada video, compararon el brillo o la concentración de proteína de píxel a píxel y usaron estas comparaciones para generar una animación de los mismos patrones de onda.

A partir de sus videos, el equipo observó que las olas parecían oscilar hacia afuera como pequeñas espirales similares a un huracán. Los investigadores rastrearon el origen de cada onda hasta el núcleo de cada espiral, al que se refieren como un "defecto topológico". Por curiosidad, ellos mismos rastrearon el movimiento de estos defectos. Hicieron un análisis estadístico para determinar qué tan rápido se movían ciertos defectos a través de la superficie de un huevo, y con qué frecuencia y en qué configuraciones las espirales aparecían, chocaban y desaparecían.

En un giro sorprendente, encontraron que sus resultados estadísticos y el comportamiento de las ondas en la superficie de un huevo eran los mismos que el comportamiento de las ondas en otros sistemas más grandes y aparentemente no relacionados.

“Cuando miras las estadísticas de estos defectos, es esencialmente lo mismo que vórtices en un fluido, ondas en el cerebro o sistemas en una escala mayor”, dice Dunkel. "Es el mismo fenómeno universal, simplemente reducido al nivel de una célula".

Los investigadores están particularmente interesados ​​en la similitud de las ondas con las ideas de la computación cuántica. Así como el patrón de ondas en un huevo transmite señales específicas, en este caso de división celular, la computación cuántica es un campo que tiene como objetivo manipular átomos en un fluido, en patrones precisos, con el fin de traducir información y realizar cálculos.

“Quizás ahora podamos tomar prestadas ideas de los fluidos cuánticos para construir miniordenadores a partir de células biológicas”, dice Fakhri. "Esperamos algunas diferencias, pero intentaremos explorar [las ondas de señalización biológica] más como una herramienta de cálculo".

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación James S. McDonnell, la Fundación Alfred P. Sloan y la Fundación Nacional de Ciencias.