Muchos podrían tener imágenes comunes al cerrar los ojos y pensar en un paisaje; horizontes forrados de pasto, adornados con árboles y montañas, y cubiertos por nubes y cielos azulados. Para el biólogo inglés Conrad Hal Waddington, sin embargo, un paisaje significaba otra cosa: la posibilidad de entender la morfogénesis de los organismos.
A mediados del siglo pasado, Waddington propuso lo que se conoce como “paisaje epigenético”, una metáfora del desarrollo biológico, en el que un conjunto de canicas ruedan y ‘exploran’ su topografía. Para el inglés, el movimiento de las canicas, determinado por las interacciones genéticas subyacentes al paisaje, podían representar la dinámica de la diferenciación celular.
Así, mientras que los fondos de los ‘valles’ o ‘cuencas’ representan las configuraciones genéticas estables (pues las canicas se ‘establecen’ en ellos más fácilmente) que determinan los fenotipos celulares, las elevaciones determinarían las diferencias fenotípicas y, los cambios abruptos del paisaje original, las mutaciones.
En un estudio, que se publica en el más reciente número de la revista Physical Review Letters, Carlos Villarreal, del Instituto de Física, Elena Álvarez-Buylla, del Instituto de Ecología, y Pablo Padilla, del Instituto de Investigaciones en Matemáticas Aplicadas y Sistemas de la UNAM, se propusieron aplicar la idea de Waddington a nivel probabilístico en una red conformada por factores de transcripción genéticos de la flor de Arabidopsis thaliana, una planta que ha servido como patrón para varios estudios del desarrollo y la evolución genética, y que sería el equivalente de Drosophila melanogaster (mejor conocida como mosca de la fruta) en los estudios zoogenéticos.
El paisaje epigenético probabilístico propuesto en este trabajo, “permite estudiar de manera general la forma en que las interacciones entre genes restringen la diferenciación celular y la morfogénesis en el desarrollo”, dice Álvarez-Buylla.
Los investigadores partieron del análisis de los aspectos genético-moleculares de la flor para establecer la red de interacciones que conforman patrones de expresión e inhibición genética que se traducen a su vez en un fenotipo celular. Éste se manifiesta como un órgano floral específico: sépalos, pétalos, estambres y carpelos.
En la metáfora del paisaje epigenético, entenderíamos entonces que mediante el análisis de las variables de las interacciones genéticas de la red es posible ‘visualizar’ un paisaje en el que hay diferentes estados estacionarios. Un estado, caracterizado por un patrón de activación genética, se traduce a un fenotipo de órgano floral, un sépalo, por ejemplo. Si se cambia el patrón se genera otro ‘valle’, y en consecuencia, un órgano distinto.
De acuerdo con Villarreal, un cálculo analítico basado en las reglas lógicas que definen la red permite prever las combinaciones de nodos que generarán cada órgano floral. En este caso, por ejemplo, encontraron los nodos centrales que conducen el desarrollo del sistema. Entre ellos, Agamous (AG) y Apetala 3 (AP3) son los genes que determinan las características generales de la flor.
A medida que el sistema se desarrolla en el tiempo, dice Villarreal, la distribución de probabilidad de expresión genética va transitando entre cuencas formando picos en donde ocurre el máximo de probabilidad y, a medida que el tiempo transcurre, la distribución se modifica escindiéndose para transitar hacia otras cuencas. Visualmente, “es como si la distribución de probabilidad generara un vástago. De un estado estacionario que resulta en una cuenca de sépalos, nace otro en el que se generaría un pétalo, hasta que al final se estaciona en las cuencas correspondientes a los estambres y los carpelos”.
De acuerdo con el investigador del IFUNAM, el estudio “puede conducir a avances en la descripción del mecanismo de proliferación y diferenciación de células troncales o células madre” que incluso ofrece la posibilidad para estudiar consecuencias de mutaciones celulares, explica a Noticias IFUNAM.
Para Álvarez-Buylla, el análisis producto de enfoques de matemáticas, física, así como biología teórica y experimental, “abre perspectivas novedosas en la investigación de la correspondencia entre información genética y destino celular, así como en la investigación en biología del desarrollo y evolución; además, tiene implicaciones potenciales en la investigación biomédica” como los estudios relacionados con la diferenciación celular en el páncreas en el estudio de la diabetes o para el análisis del problema del cáncer.