Richard Feynman, un dels físics més respectats del segle XX, deia que “si no puc crear quelcom és que no ho entenc”. No en va, molts físics i matemàtiques han observat processos biològics fonamentals amb la intenció d’identificar-ne justament els mínims ingredients que els poguessin generar. Un exemple el trobem als patrons de la natura observats per Alan Turing. El genial matemàtic anglès va demostrar l’any 1952 que era possible explicar com d’un teixit totalment homogeni es podria crear un embrió complex, i ho va fer amb un dels models matemàtics més elegants i senzills que s’han escrit. Un dels resultats d’aquest tipus de models es que la simetria que mostra una cèl·lula o un teixit es pot “trencar” sota un conjunt de condicions. Tot i això, Turing no va poder posar a prova les seves idees, i van haver de passar més de 70 anys abans que l’avenç de la tècnica en biologia pogués avaluar-les de forma contundent. Es pot fer real el somni de Turing mitjançant la proposta de Feynman? L’enginyeria genètica ha permès demostrar que sí.

The researchers have used synthetic biology to develop a new type of genetic design that can reproduce some of the key processes that enable creating structures in natural systems, from termite nests to the development of embryos.

Ara, un equip de recerca de l’Institut de Biologia Evolutiva (IBE), un centre mixt de la Universitat Pompeu Fabra (UPF) i del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC), ha desenvolupat un nou tipus de model i la seva implementació amb biologia sintètica capaç de reproduir el trencament de simetria observat als embrions amb la mínima quantitat d’ingredients possible. 

L’equip de recerca ha aconseguit implementar amb biologia sintètica (introduint al bacteri E. coli peces de gens propis d'altres organismes) un mecanisme per generar patrons espacials que s’observa a animals més complexos, com bé la Drosophila melanogaster (mosca de la fruita) o els humans. A l’estudi, l’equip ha observat com les soques d’E. coli modificades, que normalment creixen en colònies circulars (simètriques), ho fan en forma de flor amb pètals a intervals regulars, tal i com Turing va predir.

“El que volíem era construir un trencament de simetria que no es veu mai a les colònies de E. coli, però que es veu a patrons d’animals, i a partir d’aquí descobrir quins són els ingredients indispensables que es necessiten per generar aquests patrons” comenta Salva Duran-Nebreda, que va realitzar aquesta recerca durant el seu doctorat al laboratori de Sistemes Complexos i actualment és investigador postdoctoral al laboratori d’Evolució de la Tecnologia de l’IBE. 

Utilitzant la nova plataforma sintètica, l’equip de recerca ha pogut identificar els paràmetres que modulen l’aparició de patrons espacials en E. coli. “Hem vist que modulant tres ingredients podem induir el trencament de simetria. En essència, hem alterat la divisió cel·lular, l’adhesió entre cèl·lules i la capacitat de comunicació a llargues distàncies (quorum sensing), és a dir percebre quan hi ha una decisió col·lectiva”, comenta Duran-Nebreda.

Les observacions fetes en el model E. coli podrien ser aplicades a models animals més complexos o als principis de disseny de les colònies d’insectes. “De la mateixa manera que els organoides u òrgans en miniatura poden ajudar-nos a desenvolupar teràpies sense haver de fer servir models animals, aquest sistema sintètic obre la porta a la comprensió d’un fenomen tan universal com és el desenvolupament embrionari en un sistema in vitro molt més senzill”, comenta Ricard Solé, investigador ICREA al grup de Sistemes Complexos de l’IBE i responsable de la recerca.

El model desenvolupat en aquest estudi, el primer del seu tipus, podria ser clau per a entendre alguns esdeveniments del desenvolupament embrionari. “Hem de pensar en aquest sistema sintètic com en una plataforma per a aprendre a dissenyar diferents mecanismes biològics fonamentals que generen estructures, com és el pas d’un zigot a la formació d’un organisme complet. A més a més, aquest coneixement a la frontera entre processos mecànics i biològics podria ser molt útil per a entendre patologies del desenvolupament”, conclou Duran-Nebreda.

Article de referència: Duran-Nebreda S, Pla J, Vidiella B, Piñero J, Conde-Pueyo N, Solé R. Synthetic Lateral Inhibition in Periodic Pattern Forming Microbial Colonies. ACS Synth. Biol. 2021. https://doi.org/10.1021/acssynbio.0c00318