Un estudio apunta a la posibilidad de inducir estados críticos en células vivas
Un equipo multidisciplinar liderado por el Instituto de Biología Evolutiva (IBE) ha conseguido crear un circuito genético que permite a las células vivas alcanzar estados críticos, estimulando nuevos patrones de comportamiento.
Este estudio, publicado recientemente en la revista Nature Communications, puede ayudar a entender mejor el origen de la cognición e incluso mejorar la administración de fármacos contra tumores.
Estos días de verano es muy habitual encontrarse en la playa niños jugando a apilar arena, creando montículos cada vez más grandes y observando las pequeñas avalanchas que se crean sobre sus pendientes. Cuando la pila de arena crece, su pendiente alcanza un punto crítico al cual, una vez llegado, si depositamos más arena esta se deslizará y caerá en forma de aludes de diferentes cantidades. En su punto más alto, la pila de arena se encuentra en un estado crítico entre el orden y la inestabilidad.
Esto se conoce como criticalidad autoorganizada o SOC (del inglés self-organized criticality), principio propuesto en 1987 por el físico danés Per Bak mediante el cual las pequeñas interacciones entre los elementos de un sistema llegan de manera natural a este punto crítico, donde un evento menor puede generar respuestas de diversa magnitud, en algunos casos catastróficas. Este principio es observable en muchos otros sistemas complejos que muestran estados cercanos a sus puntos críticos, como es el caso de terremotos, mercados financieros, el tráfico y, también, a la evolución de los organismos vivos.
Ahora un equipo de investigación multidisciplinar liderado por investigadores del Instituto de Biología Evolutiva (IBE), un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y de la Universidad Pompeu Fabra (UPF) ha conseguido introducir las condiciones mínimas de la dinámica de la SOC en células vivas (bacterias), mediante la ingeniería de la interacción entre parámetros de orden y control, en un diseño simple de red de dos genes. El estudio, que ha combinado el esfuerzo de un equipo con conocimiento experto en biología, física, ingeniería biomédica y matemáticas del IBE con colaboración con el Centre de Recerca Matemática (CRM), abre la puerta a utilizar la biología sintética para diseñar nuevos patrones de comportamiento y estudiar los orígenes de la cognición.
El estudio abre la puerta a utilizar la biología sintética para diseñar nuevos patrones de comportamiento y estudiar los orígenes de la cognición
Un avance notable en el campo de la biología sintética
Según Ricard Solé, investigador principal del laboratorio de Sistemas Complejos del IBE y co-responsable del estudio con la investigadora de su grupo Núria Conde, “los cerebros, los enjambres o incluso las sociedades presentan fluctuaciones complejas consistentes con el llamado estado crítico, justo en el límite entre el orden y el desorden. Este estado permite a estos sistemas responder rápidamente a los cambios ambientales."
En biología, los organismos constan de una variedad intrincada de mecanismos de respuesta a estímulos externos. Las respuestas adaptativas requieren funciones dinámicas que combinan un bajo coste energético con la habilidad de llevar a cabo cambios con rapidez para responder de manera eficiente a alteraciones ambientales. “¿Qué ocurre con las células individuales?” se pregunta Solé. “En este estudio, hemos analizado matemáticamente y hemos creado en el laboratorio un nuevo circuito genético que funciona dentro de las células y les permite desarrollar dinámicas críticas”.
El estudio del equipo de investigación, publicado recientemente en la revista Nature Communications, apunta que a escala celular las redes enzimáticas podrían encontrarse en el umbral de este estado crítico y que el equilibrio entre el desorden y el orden serviría para estimular su capacidad de adaptación. Se sabe, sin embargo, que los estados críticos forman parte del equipo cognitivo de los organismos pluricelulares, desde los más simples, no neuronales, hasta los colectivos de animales. Estar en un estado crítico puede tener importantes consecuencias relacionadas con la eficiencia y puede ser relevante también para tareas de procesamiento de información.
"Esto abre la posibilidad de diseñar nuevos patrones de comportamiento y estudiar los orígenes de la cognición a escalas más pequeñas" apunta Solé. Se podría llegar a utilizar este mismo método para conseguir funcionalidades relevantes, como por ejemplo la mejora en la entrega de medicamentos contra tumores colorrectales.
Artículo de referencia: Vidiella B, Guillamon A, Sardanyés J, Maull V, Pla J, Conde N, Solé R. Engineering self-organized criticality in living cells. Nat Commun 12, 4415 (2021). doi.org/10.1038/s41467-021-24695-4