La danza que da forma a los seres vivos

Saber c¨®mo se construye un ser vivo es un enigma que ha captado la imaginaci¨®n desde muy antiguo. Un organismo como el ser humano comienza su desarrollo con una ¨²nica c¨¦lula y termina con varias decenas de billones. Cualquier problema que afecte al momento en que estas c¨¦lulas se dividen o al lugar que ocupan dentro del embri¨®n producir¨¢ malformaciones de todo tipo. Eso si el embri¨®n llega a prosperar, porque en la mayor¨ªa de los casos los huevos fecundados simplemente no prosperan.

De estos problemas se ocupa la biolog¨ªa del desarrollo, desentra?ando los mecanismos que hacen que un embri¨®n se convierta en un individuo adulto. Por ello, la versi¨®n m¨¢s profunda de la ambigua pregunta '?de d¨®nde venimos?' se convierte, gracias a la biolog¨ªa del desarrollo, en una cuesti¨®n de dimensiones palpables. Saber c¨®mo nos formamos nos permitir¨¢ conocernos mejor y acercarnos cada vez m¨¢s a comprender las causas biol¨®gicas de las enfermedades que nos afectan.

El desarrollo es un juego entre el tiempo y el espacio que crea formas, genera tejidos y, mediante tirones y empujones, va formando el embri¨®n

La gran diversidad de estructuras y funciones presentes en la naturaleza resulta de la integraci¨®n de unos pocos mecanismos sencillos

Aquellos peque?os hom¨²nculos

La historia de la biolog¨ªa del desarrollo es bastante peculiar. Hace 2.300 a?os, Arist¨®teles realiz¨® numerosas observaciones acerca de la embriolog¨ªa de animales y plantas, sentando las bases de la ciencia emp¨ªrica. Pero tuvieron que pasar 2.000 a?os m¨¢s para que se comenzara a hacer alg¨²n progreso significativo, gracias a la aparici¨®n del microscopio, que permiti¨® la exploraci¨®n del mundo de lo peque?o.

Dos teor¨ªas para explicar c¨®mo pod¨ªa un organismo desarrollarse a partir de una sola c¨¦lula compet¨ªan hasta el siglo XIX. Por un lado, la teor¨ªa de la preformaci¨®n, que presum¨ªa la existencia de un cuerpo en miniatura, un hom¨²nculo, dentro del huevo fecundado. Este hom¨²nculo era un individuo completamente formado que no ten¨ªa m¨¢s que crecer durante la gestaci¨®n. La otra teor¨ªa, denominada epig¨¦nesis, afirmaba que exist¨ªan factores que ten¨ªan la facultad de guiar a las c¨¦lulas para que formaran los ¨®rganos correspondientes.

Hoy sabemos que la segunda teor¨ªa estaba mucho m¨¢s cerca de la realidad. El ¨®vulo fecundado no tiene una versi¨®n en miniatura del cuerpo, sino una serie de prote¨ªnas y otras mol¨¦culas que van determinando el destino particular de cada c¨¦lula.

Para desechar la teor¨ªa del hom¨²nculo se ha andado un largo camino. Uno de los grandes logros es haber relacionado los primeros pasos de la embriog¨¦nesis con la activaci¨®n o desactivaci¨®n espec¨ªfica de genes maestros. Y debemos a un investigador espa?ol, Antonio Garc¨ªa Bellido, los primeros trabajos que llevaron al descubrimiento de los tipos de genes necesarios para la formaci¨®n de un embri¨®n durante el desarrollo. De esta forma se cre¨® la magn¨ªfica escuela espa?ola de biolog¨ªa del desarrollo, una de las mejores del mundo.

Antes del conocimiento molecular, la embriolog¨ªa experimental hab¨ªa descubierto que ciertas partes y c¨¦lulas del embri¨®n poseen propiedades organizadoras, inductoras y generativas para formar todas las estructuras y ¨®rganos del cuerpo. La gran figura de esta primera fase fue Hans Spemann, que obtuvo el Premio Nobel en 1935 por descubrir la zona que organiza el dise?o del embri¨®n.

Con la llegada de las t¨¦cnicas moleculares se han localizado las prote¨ªnas que se encargan de dar estas propiedades generativas a las c¨¦lulas y los genes que las codifican. Una importante familia de estos genes maestros es la de los denominados genes home¨®ticos o genes HOX, que determinan rasgos tan generales de un embri¨®n como sus ejes espaciales o la identidad de cada regi¨®n en desarrollo.

Las mutaciones en algunos de estos genes pueden provocar cambios espectaculares, como, por ejemplo, que en vez de una antena salga una pata en la mosca del vinagre. La importancia que ¨¦stos y otros descubrimientos tienen para el desarrollo de un embri¨®n fue reconocida al otorgar, en 1995, el Premio Nobel a Christiane N¨¹sslein-Volhard, Eric F. Wieschaus y Edward B. Lewis.

Ojo de mosca, ojo de hombre

La gran sorpresa para la gen¨¦tica del desarrollo fue descubrir que una gran parte de los genes que est¨¢n relacionados con el desarrollo del embri¨®n se conservan con muy pocas modificaciones en especies tan dispares como la mosca y el hombre. Pese a la gran diferencia estructural entre el ojo humano y el de la mosca, los genes que se?alan la aparici¨®n de este ¨®rgano en uno y otro son tan parecidos que el gen humano es capaz de inducir en la mosca la formaci¨®n de estructuras visuales propias del insecto.

M¨¢s a¨²n, un mismo gen se utiliza una y otra vez durante el desarrollo del embri¨®n para funciones completamente distintas. ?C¨®mo es posible que se generen tantas funciones dentro de un mismo organismo y tanta diversidad de especies dentro del mundo animal con genes esencialmente iguales?

La respuesta es compleja. Lo que la biolog¨ªa del desarrollo est¨¢ descubriendo es que la l¨®gica de las interacciones entre mol¨¦culas y entre c¨¦lulas responde a mecanismos sencillos: la regulaci¨®n y el di¨¢logo entre prote¨ªnas, su diferente acci¨®n temporal y su presencia en distintas cantidades. La complejidad emerge cuando se integran todos estos mecanismos sencillos, determinando procesos de desarrollo completamente distintos y dando como resultado la gran diversidad de estructuras y funciones presentes en la naturaleza.

El desarrollo es una danza de se?ales moleculares y fuerzas celulares. Los genes expresan prote¨ªnas con pautas temporales precisas, otorgando a cada c¨¦lula un destino dentro del embri¨®n. Esta din¨¢mica temporal crea formas, genera tejidos y, a trav¨¦s de plegamientos, empujes, tirones y roces, va formando los ¨®rganos en un equilibrio exquisito entre la forma y la funci¨®n. El desarrollo es, pues, un juego entre el tiempo y el espacio, una coreograf¨ªa de mol¨¦culas y una danza de c¨¦lulas, un juego de tiempos para crear espacios funcionales. Durante el desarrollo se generan ritmos y sincron¨ªas, a veces en consonancia con lo que sucede en el exterior, como los ritmos de la noche y el d¨ªa o los ciclos lunares.

La sincron¨ªa y su alter ego, la asincron¨ªa, son los mecanismos m¨¢s importantes del desarrollo, provocando que, cuando una regi¨®n del embri¨®n comienza a dividirse a un ritmo diferente, se establezcan los cimientos de una futura estructura del cuerpo. En cada regi¨®n hay genes maestros que se activan o reprimen en el momento preciso.

Por ejemplo, sabemos que la presencia de las familias de genes Wnt y FGF indica d¨®nde y cu¨¢ndo se empieza a formar una extremidad. El di¨¢logo iniciado por Wnt y FGF con otras prote¨ªnas proporciona la identidad a las c¨¦lulas que formar¨¢n las extremidades, forj¨¢ndoles su destino. Para que el desarrollo de un ¨®rgano proceda correctamente, el di¨¢logo cruzado entre se?ales moleculares tiene que regularse de manera precisa y hacer que el flujo de informaci¨®n que permite a cada c¨¦lula saber d¨®nde est¨¢ posea la direcci¨®n e intensidad requeridas en cada momento.

La cartograf¨ªa de la vida

Cuando Col¨®n viaj¨® a Am¨¦rica, no hab¨ªa mapas que la pusiesen en su sitio, ni detalles acerca de las corrientes y vientos que pudiesen ayudarle en su recorrido. La aventura de las c¨¦lulas dentro del embri¨®n en desarrollo se asemeja a un viaje cuyo destino es el organismo, con la peculiaridad a?adida de que son ellas mismas quienes, a lo largo del camino -mediante divisiones, movimientos y hasta suicidios programados-, dar¨¢n forma y funci¨®n al ser vivo. As¨ª es la morfog¨¦nesis o conjunto de procesos y mecanismos que propician la formaci¨®n de un embri¨®n. Las c¨¦lulas hacen camino al andar.

Cada c¨¦lula pasa por paisajes sinuosos en donde caminos que se bifurcan, y que ellas mismas crean, las obligan a tomar decisiones irremediables. Este juego de decisiones determina el episodio m¨¢s importante de la existencia de una c¨¦lula: su identidad o estado diferenciado, un proceso gradual que sigue caminos trazados por se?ales moleculares y fuerzas f¨ªsicas.

La diferenciaci¨®n inicial de las c¨¦lulas embrionarias da lugar a tres tejidos: endodermo, mesodermo y ectodermo. Todos los embriones pasan por un estado inicial que se denomina g¨¢strula, en el que se produce una remodelaci¨®n masiva de la arquitectura del embri¨®n.

A partir de la gastrulaci¨®n se decide acerca de los grandes ejes espaciales del futuro organismo: se establece d¨®nde estar¨¢ la cabeza y d¨®nde la cola, d¨®nde se formar¨¢n la espalda y el vientre, qu¨¦ ser¨¢ derecha y qu¨¦ izquierda. Existe una relaci¨®n directa entre los tres tejidos b¨¢sicos y los tejidos nuevos que finalmente formar¨¢n parte de cada ¨®rgano. Esto hace que sea posible dibujar mapas de destino y seguir el devenir de cada c¨¦lula a medida que cambia el paisaje embrionario.

La biolog¨ªa del desarrollo se halla en un momento muy fecundo, pero tiene una asignatura pendiente: lograr la integraci¨®n de genes, prote¨ªnas, c¨¦lulas, tejidos y ¨®rganos con el desarrollo del propio individuo. Para comprender c¨®mo se construye un ser vivo, ser¨¢ necesario integrar lo que ocurre en todos esos niveles y observar esos procesos como una intrincada red de redes. El uso intensivo de herramientas inform¨¢ticas acopladas a modelos matem¨¢ticos y f¨ªsicos revolucionar¨¢ en los pr¨®ximos a?os la biolog¨ªa del desarrollo.