Modelos computacionales para el desarrollo embrionario

Un investigador de CONICET participó en avances claves para detectar el momento exacto en que se producen las primeras diferencias entre las células que componen un embrión. Para ello utilizó técnicas de modelado y simulación computacional. El trabajo fue publicado en la portada de la prestigiosa revista científica Cell.

Esteban Mocskos -doctor en ciencias de la computación, investigador de CONICET y profesor del Departamento de Computación (Exactas-UBA)- se dedica a investigar temáticas agrupadas en el área de Modelado y Simulación. El área es por definición interdisciplinaria, ya que busca responder preguntas científicas relevantes provenientes de otras disciplinas (biología, química, física, meteorología, ingeniería, etc.) apoyándose en arquitecturas avanzadas de cómputo con sistemas distribuidos o con plataformas paralelas.  Este investigador aclara que su trabajo es complejo y desafiante porque combina aspectos muy heterogéneos: interactuar con científicos de otras ciencias, utilizar herramientas sofisticadas de cómputo para atacar distintas clases de problemas generalmente aplicados a situaciones reales y resolver cálculos numéricos para que los modelos sean cada vez más realistas.

Con el propósito de responder una pregunta de la biología, esencial para la humanidad, Mocskos participó en un estudio realizado por investigadores argentinos que logró descifrar una instancia clave en el proceso de diferenciación celular.

El trabajo, seleccionado como tapa de la prestigiosa revista Cell, resulta de utilidad para detectar las causas de ciertas fallas tempranas en embarazos y aporta a la futura aplicación de las células madre en el área de la medicina regenerativa. Está dirigido por Valeria Levi (Investigadora de CONICET y Directora del Laboratorio de Dinámica Intracelular del Departamento de Química Biológica, Exactas-UBA) y Nicolás Platcha (Investigador del Institute of Molecular and Cell Biology, A*STAR, Singapur). Además el equipo está conformado por Juan F. Angiolini, Yanina D. Alvarez, Luciana Bruno, Melanie D. White, Gurpreet Kaur, Ziqing W. Zhao y Stephanie Bissiere. El grupo de trabajo presenta una combinación de formaciones que van desde la biología experimental embrionaria hasta la física pasando por química biológica y computación.

El investigador de CONICET explicó que una pregunta central en la biología, y en particular en el desarrollo embrionario, es en qué momento del desarrollo las células que componen el embrión de mamíferos comienzan a ser diferentes entre sí y cómo estas diferencias influencian el destino de las células hijas, es decir de la progenie. “Hasta ahora se planteaban dos modelos contradictorios para explicar cuándo y cómo ocurría la primera decisión de diferenciación entre dos poblaciones: aquellas que formarán parte del embrión y aquellas que irán a los tejidos extraembrionarios, como la placenta”, comenta Mocskos. Tal es así que el modelo clásico asegura que las células son idénticas hasta que perciben entornos distintos, lo cual sucede aproximadamente cuando el embrión ya tiene entre 16 y 32 células.

Sin embargo en el trabajo “Long-Lived Binding of Sox2 to DNA Predicts Cell Fate in the Four-Cell Mouse Embryo”, se describe cómo la interacción del ADN con el factor de transcripción Sox2, en embriones en el temprano estadio de 4 células, predice efectivamente el destino de la progenie de cada célula, lo cual señala que ya existen diferencias intracelulares que determinan la función que cumplirán las células hijas en embriones más desarrollados.

“Estas preguntas no se podrían haber respondido sin el uso de modelos computacionales. Por un lado, desarrollamos una herramienta de cómputo inédita y de código abierto, que no existía hasta el momento, para reproducir la manera en que se adquieren los datos del experimento en un ambiente simulado y en base a eso postular los mecanismos que generaban como resultado esos datos. Por otro lado, hicimos una simulación donde se testearon las hipótesis biológicas no comprobadas  para llegar a explicar esa interacción final y descartar las hipótesis que no eran viables”, puntualiza Mocskos.

Hasta entonces la metodología clásica para observar proteínas u otros componentes en el interior de las células requería destruir el embrión, lo cual no resultaba efectivo para determinar cómo influiría la diferenciación celular en el desarrollo posterior del embrión.  Para paliar esta situación, el equipo de científicos implementó una técnica avanzada de microscopía de fluorescencia que permitió el estudio de las moléculas en forma individual y de las células que componen el embrión vivo, lo que posibilitó observar su evolución real. En la investigación se usaron como modelo embriones de ratón (que son muy similares a los humanos) para analizar cuándo los factores de transcripción se unen al ADN en las células que componen el embrión. “La gran ventaja que tuvimos es poder observar y analizar la evolución de las proteínas semana a semana e incluso filmar un embrión a medida que éste se desarrolla, obteniendo las imágenes tridimensionales de los embriones y las proteínas asociadas a su desarrollo”, concluye Mocskos.

Más información: https://www.conicet.gov.ar/el-elemento-adecuado-en-el-momento-justo/

¿Cómo ves las perspectivas actuales y futuras del Modelado?
“Por un lado, nuestro trabajo tiene el beneficio de no necesitar de un equipamiento experimental gigantesco. Por el otro lado, si no hay un investigador o un profesional que tenga una pregunta interesante se restringe mucho lo que se puede responder. Estamos sujetos a que haya gente en su área de trabajo que tenga necesidades computacionales interesantes, o problemas que nos obliguen a desarrollar nuevas técnicas, nuevos métodos, o usar otros elementos computacionales que hasta el momento no se utilizaban.
En nuestro contexto local, resulta sumamente complicado contar con el equipamiento de los principales centros mundiales de investigación. No obstante, extraer del cerebro o de la creatividad las preguntas interesantes y responderlas con los recursos que tenemos disponibles en nuestras instituciones, es lo mejor que podemos hacer en pos de avanzar en los nuevos desafíos del conocimiento científico. También necesitamos seguir generando proyectos interdisciplinarios y colaboraciones con otros grupos de investigación. Lógicamente el hecho de llegar a publicar trabajos vinculados con el modelado y la simulación en revistas de primer nivel, ayuda a dar mayor visibilidad al área”, comenta Mocskos.