Increíble danza del vientre de grillo

En junio, 100 científicos de la mosca de la fruta se reunieron en la isla griega de Creta para su conferencia bienal. Entre ellos estaba Cassandra Extavour, genetista canadiense de la Universidad de Harvard. Su laboratorio trabaja con moscas de la fruta para estudiar la evolución y el desarrollo – “evo devo”. A menudo, estos científicos eligen como “modelo viviente” la especie Drosophila melanogaster, un caballo alado que trabaja con ellos como un pequeño insecto. Premios Nobel en fisiología y medicina.

Pero el Dr. Extavour también es conocido por cultivar otras especies como especies modelo. Son muy aficionados a los grillos, especialmente al Gryllus bimaculatus, el grillo de jardín de dos manchas, aunque no les gusta nada que siga a las moscas. (Un total de 250 detectives solicitaron asistir a la reunión en Creta).

“Es una locura”, dijo en una entrevista en video desde su habitación de hotel, donde se quitó el virus. “Si tratáramos de tener una reunión con todos los jefes de los laboratorios que trabajan con especies de grillos, podríamos ser cinco o 10”.

grillos previamente documentado en los estudios de relojes circadianos, evolución de extremidades, aprendizaje, memoria; han servido como modelos de enfermedad y de la industria farmacéutica. ¡Verdaderos eruditos, grillo! También son famosos como alimento, cubierto de chocolate o no. Desde una perspectiva evolutiva, los grillos brindan una gran oportunidad para aprender sobre el último ancestro de los insectos; Tienen características similares a otros insectos que las moscas de la fruta. (De hecho, los insectos constituyen más del 85 por ciento de las especies animales).

Dr. La investigación de Extavour se centra en lo básico: ¿Cómo funcionan los embriones? Entonces, ¿qué puede revelar esto acerca de cómo vivió el primer animal? Cada animal que es un embrión sigue el mismo viaje: una sola célula se multiplica y luego forma una capa sobre el huevo, que proporciona el primer plano para todos los órganos principales del cuerpo. Pero, ¿las células embrionarias, células que tienen el mismo genoma pero no hacen lo mismo con esa información, saben adónde ir y qué hacer?

“Ese es el secreto para mí”, dijo el Dr. Extavour dijo. “Ahí es donde siempre quise ir”.

Seth Donoughe, biólogo y científico de datos de la Universidad de Chicago y alumno del Dr. El laboratorio de Extavour explicó que la embriogénesis es el estudio de cómo un animal en crecimiento produce “las partes correctas en el lugar correcto en el momento correcto”. En un nuevo estudio con un increíble video de un embrión de grillo, que muestra las “partes correctas” (núcleos celulares) moviéndose en tres etapas, el Dr. Extavour, Dr. Donoughe y sus colegas encontraron que esto estaba desactualizado. geometría juega un papel importante.

Los humanos, las ranas y muchos otros animales bien estudiados comienzan como una sola célula que se divide repetidamente en células separadas. En los grillos y muchos otros insectos, el núcleo de la célula primero se divide, formando muchos núcleos que se mueven a través del citoplasma compartido y luego forman sus propias membranas.

En 2019, Stefano Di Talia, sociólogo de la Universidad de Duke, estudió el transporte nuclear en la mosca de la fruta y demostró que son transportados por una fuerte corriente en el citoplasma, un poco como las hojas que se mueven a lo largo de las orillas de una corriente de movimiento lento.

Pero otro mecanismo operaba en el embrión del grillo. Los investigadores pasaron muchas horas observando y analizando la lenta danza de los núcleos: núcleos brillantes que se dividen y se mueven de forma extraña, no ordenada, no al azar, a diferentes velocidades, núcleos que están más cerca unos de otros que los que están más lejos. El trabajo involucraba una coreografía más allá de la física o la química.

“Las geometrías en las que los núcleos comienzan a pensar se deben a su capacidad para detectar y responder a la abundancia de otros núcleos en su vecindad”, dijo el Dr. Extavour dijo. Dr. Di Talia no participó en el nuevo estudio, pero lo encontró efectivo. “Es un estudio fascinante de un hermoso sistema que está estrechamente relacionado con los seres vivos”, dijo.

Los investigadores de Cricket inicialmente adoptaron un enfoque anticuado: mirar de cerca y escuchar. “Acabamos de ver”, dijo el Dr. Extavour dijo.

Tomaron videos usando un microscopio de hoja de luz láser: las imágenes capturaron la danza de los núcleos cada 90 segundos durante las primeras ocho horas del desarrollo del embrión, tiempo durante el cual 500 o más núcleos se habían reunido en el citoplasma. (Los grillos eclosionan después de unas dos semanas).

En la mayoría de los casos, los objetos naturales son opacos y difíciles de ver incluso con un microscopio muy mejorado. Pero Taro Nakamura, el postdoctorado en Dr. El laboratorio de Extavour, ahora un científico del desarrollo en el Instituto Nacional de Biología Básica en Okazaki, Japón, lo había diseñado. un tipo especial de grillos y núcleos que luz fluorescente verde. como la Dra. Nakamura dijo que cuando registró el desarrollo del embrión, los resultados fueron “sorprendentes”.

Este fue el “punto de partida” para el estudio, dijo el Dr. Donough dijo. Simplemente citó un comentario a veces atribuido al autor de ciencia ficción y profesor de biología Isaac Asimov: “La mayoría de las veces, no dices ‘¡Eureka!’ Cuando encuentras algo, dices, ‘Huh. Es asombroso.”

Al principio, los biólogos vieron los videos, que se mostraron en la ventana de la sala de conferencias, IMAX similar a un grillo, considerando que los huevos son aproximadamente un tercio del grano de (trigo largo). Intentaron identificar patrones, pero los conjuntos de datos eran demasiado grandes. Necesitaban mucho conocimiento cuantitativo.

Dr. Donoughe se puso en contacto con Christopher Rycroft, un matemático que ahora trabaja en la Universidad de Wisconsin-Madison, y le mostró sus pasos de baile. ‘¡Vaya!’ Dr. dijo Rycroft. Nunca antes había visto algo así, pero reconoció el potencial del acuerdo utilizando datos; Él es Jordan Hoffmann, estudiante de doctorado en Dr. El laboratorio de Rycroft, se unió al estudio.

En el análisis cuantitativo, el equipo matemático considera muchas preguntas: ¿Cuántos núcleos había? ¿Cuándo comenzó la división? ¿Qué caminos tomaron? ¿Dónde terminó? ¿Por qué unos caminaban y otros gateaban?

Dr. Rycroft a menudo trabaja en la intersección de las ciencias físicas y de la vida. (El año pasado, publicó sobre la física de limpiar el papel.) “Las matemáticas y la física han tenido mucho éxito en impulsar leyes generales que funcionan ampliamente, y este método también puede ayudar en biología”, dijo; Dr. Extavour ha dicho lo mismo.

El grupo pasó mucho tiempo intercambiando ideas en la pizarra, a menudo haciendo dibujos. Este problema le recordó al Dr. Rycroft del diagrama de Voronoi, un construcción geométrica que divide el espacio en partes que no se cruzan: polígonos o celdas de Voronoi, cada una de las cuales se origina en un punto semilla. Es un concepto flexible que se aplica a cosas tan diversas como los cúmulos de galaxias, las redes inalámbricas y el crecimiento de los bosques. (Los troncos de los árboles son las puntas de las semillas y las coronas son las células de Voronoi, que se superponen pero no interfieren entre sí, un fenómeno conocido como timidez de la corona).

En el caso del grillo, los investigadores calcularon la celda de Voronoi que rodea a cada núcleo y descubrieron que la forma de la celda ayudó a predecir por dónde pasaría el núcleo. En realidad, la Dra. Donoughe dijo: “Las células nucleares solían trasladarse a áreas abiertas cercanas”.

La geometría, dijo, proporciona una forma de pensar sobre la mecánica móvil. “Durante la mayor parte de la historia de la biología celular, no hemos podido medir u observar directamente las fuerzas mecánicas”, dijo, aunque estaba claro que estaban en juego “motores, aplastamientos y empujones”. Pero los investigadores pueden ver los patrones geométricos más sofisticados creados por estas células. “Entonces, considerando la longitud de las células, el tamaño de las células, la forma de las células, sabemos que provienen de problemas mecánicos en escalas muy finas”, dijo el Dr. Donough dijo.

Para obtener este tipo de información en videos de cricket, el Dr. Donough y el Dr. Hoffmann rastreó la bomba nuclear lentamente, midiendo su ubicación, velocidad y dirección.

“Este no es un asunto trivial y, en última instancia, involucra muchas formas de visión por computadora y aprendizaje automático”, dijo el Dr. Hoffmann, un matemático que ahora trabaja en DeepMind en Londres.

También confirma los resultados del programa manualmente, haciendo clic en 100.000 puntos, conectando líneas de núcleos a través del espacio y el tiempo. Dr. Hoffmann lo encontró aburrido; Dr. Donoughe pensó que estaba jugando un videojuego, “acercándose al pequeño universo dentro de un solo embrión, conectando los hilos del viaje de cada núcleo”.

Luego desarrolló un modelo matemático que probó y comparó hipótesis que podrían explicar el movimiento de los núcleos y sus posiciones. En general, argumentó que los flujos citoplasmáticos que el Dr. Di Talia vio en la mosca de la fruta. Abogan por el movimiento aleatorio con la idea de que los núcleos se empujan unos a otros.

En cambio, llegaron a una explicación lógica basándose en otro mecanismo conocido en las moscas de la fruta y los embriones redondos: a diferencia de los pequeños motores moleculares en el citoplasma que expanden pequeños grupos de cada núcleo, no del dosel del bosque.

El equipo concluyó que una fuerza molecular tira del núcleo del grillo en áreas deshabitadas. “Estas moléculas podrían ser microtúbulos, pero no lo sabemos”, dijo el Dr. Extavour dijo en un correo electrónico. “Necesitamos hacer más pruebas en el futuro para averiguarlo”.

Esta odisea del cricket no estaría completa sin mencionar al Dr. Donoughe desarrolló un “dispositivo de bloqueo de embriones” que diseñó para probar diferentes ideas. se repitió vieja escuela pero se inspiró en el trabajo anterior del Dr. Extavour y otros sobre la evolución de tamaño y forma del huevo.

Esta interferencia hizo que el Dr. Donoughe para realizar la difícil tarea de envolver un cabello humano alrededor de un huevo de grillo, creando así dos capas, una que contiene el núcleo original y la otra ligeramente fusionada.

A continuación, los investigadores observaron la coreografía nuclear. En la región temprana, los núcleos se encogen tan pronto como alcanzan la masa. Pero cuando las cositas pasaron por el túnel, volvieron a correr rápido, libres como caballos en un pastor.

Esta fue la evidencia más fuerte de que el movimiento de los núcleos estaba controlado por la geometría, dijo el Dr. Donoughe dijo, y “no se guía por señales físicas universales, o movimiento o cualquier otro sentido que estaría asociado con lo que hace el feto”.

Al final de la investigación, el equipo había encontrado más de 40 terabytes en 10 discos duros y había desarrollado un modelo geométrico computacional que agregaba equipos de cricket.

“Queremos que los embriones de grillos sean lo suficientemente flexibles para trabajar con ellos en el laboratorio”, dijo el Dr. Extavour dijo: es decir, muy útil para estudiar muchos aspectos de la biología.

Este modelo puede imitar el tamaño y la forma de un huevo, lo que lo hace útil como “sitio de prueba de huevos de insectos”, dijo el Dr. Extavour dijo. Dijo que esto haría posible comparar diferentes especies e investigar la historia evolutiva con mayor profundidad.

Pero la principal recompensa del estudio, coincidieron todos los investigadores, fue el espíritu de cooperación.

“Hay un lugar y un momento para conocer cosas especiales”, dice el Dr. Extavour dijo. “Al igual que lo que han descubierto los científicos, debemos presentarnos ante personas que no tienen tanto dinero como nosotros en cualquier caso”.

Las preguntas formuladas por los matemáticos fueron “sin perjuicio de ningún tipo”, dijo el Dr. Extavour dijo. “Estas son preguntas muy interesantes”.