Comprender el software de la biología, las reglas que permiten una gran plasticidad en cómo los colectivos celulares generan anatomías confiables, es clave para avanzar en la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa.
por Michael Levin
Las ventajas de utilizar la medicina regenerativa, que busca abordar dolencias tan diversas como defectos de nacimiento, lesiones traumáticas, envejecimiento, enfermedades degenerativas y el crecimiento desorganizado del cáncer, serían de gran ayuda al resolver un rompecabezas fundamental: ¿cómo los colectivos celulares orquestan la construcción de estructuras tridimensionales complejas?
Si bien los genomas codifican de manera predecible las proteínas presentes en las células, una simple lista de partes moleculares no nos dice lo suficiente sobre el diseño anatómico o el potencial regenerativo del cuerpo que las células trabajarán para construir. Los genomas no son un modelo para la anatomía, y la edición del genoma está fundamentalmente limitada por el hecho de que es muy difícil inferir qué genes modificar y cómo lograr los resultados anatómicos complejos deseados. De manera similar, las células madre generan los componentes básicos de los órganos, pero la capacidad de organizar tipos específicos de células en una mano o un ojo humanos ha estado y estará fuera del alcance de la manipulación directa durante mucho tiempo.
Pero los investigadores que trabajan en los campos de la morfología sintética y la biofísica regenerativa están comenzando a comprender las reglas que gobiernan la plasticidad del crecimiento y la reparación de los órganos. En lugar de microgestión de tareas que son demasiado complejas para implementar directamente a nivel celular o molecular, ¿qué pasaría si resolviéramos el misterio de cómo los grupos de células cooperan para construir cuerpos multicelulares específicos durante la embriogénesis y la regeneración? Quizás entonces podríamos descubrir cómo motivar a los colectivos celulares para que construyan las características anatómicas que queramos.
Los nuevos enfoques ahora nos permiten apuntar a los procesos que implementan la toma de decisiones anatómicas sin ingeniería genética. En enero, utilizando estas herramientas, elaboradas en mi laboratorio en el Allen Discovery Center de la Universidad de Tufts y por científicos informáticos en el laboratorio de Josh Bongard en la Universidad de Vermont, pudimos crear nuevas máquinas vivientes , cuerpos artificiales con morfologías y comportamientos completamente diferentes a los Anatomía predeterminada de la especie de rana ( Xenopus laevis) cuyas células utilizamos. Estas células reiniciaron su multicelularidad en una nueva forma, sin cambios genómicos. Esto representa una caja de arena extremadamente emocionante en la que los bioingenieros pueden jugar, con el objetivo de decodificar la lógica del control anatómico y conductual, así como comprender la plasticidad de las células y la relación de los genomas con las anatomías.
Descifrar cómo se articula un organismo es verdaderamente una empresa interdisciplinaria.
Descifrar cómo se articula un organismo es verdaderamente una empresa interdisciplinaria. Resolver el cuadro completo implicará comprender no solo los mecanismos por los que operan las células, sino también dilucidar los cálculos que las células y los grupos de células llevan a cabo para orquestar la construcción de tejidos y órganos a escala de todo el cuerpo. La próxima generación de avances en esta área de investigación surgirá del flujo de ideas entre científicos informáticos y biólogos. Liberar todo el potencial de la medicina regenerativa requerirá que la biología emprenda el viaje que la informática ya ha realizado, desde centrarse en el hardware (las proteínas y las vías bioquímicas que llevan a cabo las operaciones celulares) hasta el software fisiológico que permite que las redes de células adquieran y almacenen , y actuar sobre la información sobre la geometría del órgano y, de hecho, de todo el cuerpo.
En el mundo de las computadoras, esta transición de recablear el hardware a reprogramar el flujo de información cambiando las entradas dio lugar a la revolución de la tecnología de la información. Este cambio de perspectiva podría transformar la biología, permitiendo a los científicos lograr las visiones aún futuristas de la medicina regenerativa. Una comprensión de cómo los agentes independientes y competentes, como las células, cooperan y compiten hacia resultados sólidos, a pesar del ruido y las condiciones ambientales cambiantes, también informaría a la ingeniería. La robótica de enjambre, el Internet de las cosas e incluso el desarrollo de la inteligencia artificial general se verán enriquecidos por la capacidad de leer y establecer los estados anatómicos hacia los que se construyen los colectivos celulares, porque comparten un problema subyacente fundamental: cómo controlar los resultados emergentes. de sistemas compuestos por muchas unidades o individuos que interactúan.
(Re) Construir un cuerpo
Muchos tipos de embriones pueden regenerarse por completo si se cortan a la mitad, y algunas especies son regeneradoras competentes cuando son adultos. Los ajolotes ( Ambystoma mexicanum ) regeneran sus extremidades, ojos, médula espinal, mandíbulas y partes del cerebro durante toda la vida. Mientras tanto, los gusanos planos planarios (clase Turbellaria) pueden volver a crecer absolutamente cualquier parte de su cuerpo; cuando el animal se corta en pedazos, cada pedazo sabe exactamente lo que falta y se regenera para convertirse en un gusano diminuto y perfecto.
Lo notable no es simplemente que el crecimiento comienza después de la herida y que se generan varios tipos de células, sino que estos cuerpos crecerán y se remodelarán hasta que se complete una anatomía correcta y luego se detengan. ¿Cómo identifica el sistema la morfología objetivo correcta, orquesta los comportamientos de las células individuales para llegar allí y determina cuándo se realiza el trabajo? ¿Cómo comunica esta información para controlar las actividades celulares subyacentes?
Hace varios años, mi laboratorio descubrió que los renacuajos de Xenopus con sus órganos faciales mezclados experimentalmente en posiciones incorrectas todavía tienen caras en gran parte normales una vez que han madurado, ya que los órganos se mueven y remodelan a través de caminos no naturales. El año pasado, un colega de Tufts llegó a una conclusión similar: el genoma de Xenopus no codifica un conjunto fijo de instrucciones para los movimientos de diferentes órganos durante la metamorfosis de renacuajo a rana, sino que codifica hardware molecular que ejecuta una especie de “minimización de errores”. bucle “, comparando la anatomía actual con la morfología de la rana objetivo y trabajando para reducir progresivamente la diferencia entre ellas. Una vez que se logra una especificación espacial aproximada del diseño, eso desencadena el cese de nuevas remodelaciones.
El profundo rompecabezas de cómo los agentes competentes, como las células, trabajan juntos para perseguir objetivos como construir, remodelar o reparar un órgano complejo según una especificación predeterminada, está bien ilustrado por planaria. A pesar de tener una comprensión mecanicista de las vías de especificación de las células madre y los gradientes químicos axiales, los científicos realmente no saben qué determina la intrincada forma y estructura de la cabeza del gusano plano. También es desconocidocómo las planarias regeneran perfectamente la misma anatomía, incluso cuando sus genomas han acumulado mutaciones durante eones de herencia somática. Debido a que algunas especies de planaria se reproducen por fisión y regeneración, cualquier mutación que no mate al neoblasto, la célula madre adulta que da lugar a células que regeneran tejido nuevo, se propaga a la siguiente generación. El genoma increíblemente desordenado del gusano muestra evidencia de este proceso, y las células de una planaria individual pueden tener diferentes números de cromosomas. Aún así, las planarias fragmentadas regeneran la forma de su cuerpo con casi un 100 por ciento de fidelidad anatómica.
La edición permanente de la morfología objetivo codificada sin edición genómica revela un nuevo tipo de epigenética.
Entonces, ¿cómo lo hacen los grupos de células codifican los patrones que construyen, y cómo saben ellos de parar una vez que se consigue una estructura anatómica objetivo? ¿Qué pasaría, por ejemplo, si se trasplantaran neoblastos de una especie planaria con cabeza plana a un gusano de una especie con cabeza redonda o triangular a la que se le amputó la cabeza? ¿Qué forma resultaría de esta mezcla heterogénea? Hasta la fecha, ninguno de los estudios genéticos moleculares de alta resolución de planaria ofrece predicciones de los resultados de este experimento, porque hasta ahora todos se han centrado en el hardware celular, no en la lógica del software, implementado por procesos químicos, mecánicos, y señalización eléctrica entre las células, que controla los resultados a gran escala y permite que la remodelación se detenga cuando se alcanza una morfología específica.
Comprender cómo las células y los tejidos toman decisiones anatómicas en tiempo real es fundamental no solo para lograr resultados regenerativos demasiado complejos para que los manejemos directamente, sino también para resolver problemas como el cáncer. Si bien la visión del cáncer como un trastorno genético todavía impulsa en gran medida los enfoques clínicos, la literatura reciente respalda la visión del cáncer como que las células simplemente no pueden recibir las señales fisiológicas que mantienen los controles normalmente estrictos de la homeostasis anatómica. Separadas de estas señales de patrones, las células individuales vuelven a su antiguo estilo de vida unicelular y tratan al resto del cuerpo como un entorno externo, a menudo con un efecto ruinoso. Si entendemos los mecanismos que escalan Puntos de ajuste homeostáticos de una sola célula en estados de meta anatómicos a nivel de órganos y tejidos y las condiciones bajo las cuales se rompe el circuito de control de reducción de errores anatómicos, podemos proporcionar estímulos para obtener el control de las células cancerosas rebeldes sin terapia génica ni quimioterapia.
| Construcción organismal Durante la morfogénesis, las células cooperan para construir estructuras anatómicas de manera confiable. Muchos sistemas vivos remodelan y regeneran tejidos u órganos a pesar de un daño considerable, es decir, reducen progresivamente las desviaciones de las morfologías objetivo específicas y detienen el crecimiento y la remodelación cuando se logran esas morfologías. La evolución aprovecha tres modalidades para lograr tal homeostasis anatómica: gradientes bioquímicos, circuitos bioeléctricos y fuerzas biofísicas. Estos interactúan para permitir que surja la misma forma a gran escala a pesar de perturbaciones significativas.  © NR FULLER, SAYO-ART, LLC | |
 GRADIENTES BIOQUÍMICOSLa modalidad más conocida se refiere a moléculas de señalización intracelulares y extracelulares difusibles. Los circuitos reguladores de genes y los gradientes de bioquímicos controlan la proliferación, diferenciación y migración celular. | |
 CIRCUITOS BIOELÉCTRICOSEl movimiento de iones a través de las membranas celulares, especialmente a través de canales iónicos activados por voltaje y uniones gap, puede establecer circuitos bioeléctricos que controlan patrones de potencial de reposo a gran escala dentro y entre grupos de células. Estos patrones bioeléctricos implementan una dinámica de coordinación, retroalimentación y memoria de largo alcance en todos los campos celulares. Son la base de la toma de decisiones morfogenética modular sobre la forma de los órganos y el diseño espacial mediante la regulación de la redistribución dinámica de morfógenos y la expresión de genes. | |
 FUERZAS BIOMECÁNICASLas proteínas citoesqueléticas, de adhesión y motoras dentro y entre las células generan fuerzas físicas que a su vez controlan el comportamiento celular. Estas fuerzas dan como resultado campos de tensión a gran escala, que permiten que las láminas de células se muevan y se deformen como una unidad coherente y, por lo tanto, ejecuten los pliegues y dobleces que dan forma a órganos complejos. |
Software bioeléctrico: más allá del cerebro
El software de la vida, que explota las leyes de la física y la computación, está habilitado por señales químicas, mecánicas y eléctricas a través de redes celulares. Si bien los biólogos moleculares y celulares han apreciado durante mucho tiempo los mecanismos químicos y mecánicos de la morfogénesis, el papel de la señalización eléctrica se ha pasado por alto en gran medida. Pero la misma reprogramabilidad de los circuitos neuronales en el cerebro que respalda el aprendizaje, la memoria y la plasticidad del comportamiento se aplica a todas las células, no solo a las neuronas. De hecho, las colonias bacterianas pueden comunicarse a través de corrientes iónicas, con investigaciones recientes revelando una dinámica similar al cerebro en la que la información se propaga y se almacena en una especie de protocuerpo formado por biopelículas bacterianas. Por lo tanto, no debería sorprendernos que la señalización bioeléctrica sea un componente altamente manejable de los resultados morfológicos en organismos multicelulares.
Hace unos años, estudiamos la dinámica eléctrica que normalmente establece el tamaño y los límites del cerebro naciente de Xenopus , y construimos un modelo informático de este proceso para arrojar luz sobre cómo una variedad de defectos cerebrales surgen de interrupciones en esta señalización bioeléctrica. Nuestro modelo sugirió que modificaciones específicas con ARNm o moléculas pequeñas podrían restaurar los patrones bioeléctricos endógenos a su disposición correcta. Al utilizar nuestra plataforma computacional para seleccionar fármacos para abrir canales iónicos existentes en tejido neural incipiente o incluso en un tejido corporal remoto, pudimos prevenir e incluso revertir defectos cerebrales causados no solo por teratógenos químicos (compuestos que interrumpen el desarrollo embrionario) sino por mutaciones. en genes clave de la neurogénesis.
De manera similar, usamos optogenética para estimular la actividad eléctrica en varios tipos de células somáticas para desencadenar la regeneración de una cola de renacuajo completa (un apéndice con inervación periférica, muscular y de la médula espinal) y para normalizar el comportamiento de las células cancerosas en renacuajos que expresan fuertemente oncogenes humanos como como mutaciones de KRAS . Usamos un enfoque similar para desencadenar regiones posteriores, como el intestino, para construir un ojo de rana completo. Tanto en el caso del ojo como en el de la cola, la información sobre cómo construir exactamente estas estructuras complejas y dónde deberían ir todas las células, no tuvo que ser especificado por el experimentador; más bien, surgieron de las propias células. Dichos hallazgos revelan cómo las mutaciones del canal iónico dan como resultado numerosas canalopatías del desarrollo humano , y proporcionan una hoja de ruta sobre cómo pueden tratarse alterando el mapa bioeléctrico que le dice a las células qué construir.
También encontramos recientemente un ejemplo sorprendente de este tipo de software bioeléctrico reprogramable en el control de la regeneración en planaria. En 2011, descubrimos que un circuito eléctrico endógeno establece un patrón de despolarización e hiperpolarización en fragmentos planarios que regulan la orientación del eje anteroposterior a reconstruir. El año pasado, descubrimos que este circuito controla la expresión genética necesaria para construir una cabeza o una cola dentro de las seis horas posteriores a la amputación, y al usar moléculas que hacen que las membranas celulares sean permeables a ciertos iones para despolarizar o hiperpolarizar las células, indujimos fragmentos de tales gusanos a dan lugar a una forma simétrica de dos cabezas, a pesar de sus genomas de tipo salvaje. Aún más sorprendente, los gusanos continuaron generando progenie de dos cabezas en rondas adicionales de corte sin más manipulación. En experimentos adicionales, demostramos que la reducción breve de la conectividad mediada por uniones gap entre células adyacentes en la red bioeléctrica que guía la regeneración llevó a los gusanos a regenerar formas de cabeza y cerebro apropiadas para otras especies de gusanos cuyos linajes se dividieron hace más de 100 millones de años.
Mi grupo ha desarrollado el uso de tintes sensibles al voltaje para visualizar la memoria de patrones bioeléctricos que guía la expresión génica y el comportamiento celular hacia resultados morfogenéticos. Mientras tanto, mis colegas del Centro Allen están utilizando tejidos eléctricos artificiales sintéticos hechos de células humanas y modelos informáticos de la actividad del canal iónico para comprender cómo la dinámica eléctrica a través de grupos de células no neuronales puede establecer los patrones de voltaje que controlan la expresión de genes aguas abajo, la distribución de morfógeno. moléculas y comportamientos celulares para orquestar la morfogénesis.
La imagen emergente en este campo es que el software anatómico es altamente modular, una propiedad clave que los científicos informáticos explotan como subrutinas y que muy probablemente contribuya en gran parte a la capacidad de evolución biológica y la plasticidad evolutiva. Un estado bioeléctrico simple, ya sea producido de forma endógena durante el desarrollo o inducido por un experimentador, desencadena redistribuciones muy complejas de morfógenos y cascadas de expresión génica que son necesarias para construir diversas anatomías. La información almacenada en los circuitos bioeléctricos del cuerpo se puede reescribir permanentemente una vez que comprendamos la dinámica de los circuitos biofísicos que toman las decisiones morfológicas críticas. Esta edición permanente de la morfología codificada del objetivo sin edición genómica revela un nuevo tipo de epigenética, información que se almacena en un medio distinto de las secuencias de ADN y la cromatina.
Reescribiendo el plan del cuerpo planarioUn trabajo reciente de nuestro grupo y de otros ha demostrado que las memorias de patrones anatómicos pueden reescribirse mediante estímulos fisiológicos y mantenerse indefinidamente sin edición genómica. Por ejemplo, el circuito bioeléctrico que normalmente determina el número de cabezas y la ubicación en la planaria en regeneración puede desencadenarse por breves alteraciones del canal iónico o la actividad de la unión gap para alterar el plan corporal del animal. Debido a la memoria de patrones del circuito, los animales permanecen en este estado alterado indefinidamente sin más estimulación, a pesar de sus genomas de tipo salvaje. En otras palabras, se puede cambiar el patrón al que se construyen las células después del daño, lo que lleva a una morfología objetivo distinta de la genética predeterminada. © NR FULLER, SAYO-ART, LLC | |
| Primero, empapamos una planaria en tinte fluorescente sensible al voltaje para observar el patrón bioeléctrico en todo el tejido. Luego cortamos al animal para ver cómo cambia este patrón en cada fragmento a medida que comienza a regenerarse. | |
| Luego aplicamos medicamentos o usamos interferencia de ARN para apuntar a canales iónicos o uniones gap en células individuales y así cambiar el patrón de despolarización / hiperpolarización y conectividad celular en todo el fragmento. | |
| Como resultado de la interrupción de los circuitos bioeléctricos del cuerpo, la planaria vuelve a crecer con dos cabezas en lugar de una, o ninguna en absoluto. | |
 Cuando volvemos a cortar la planaria de dos cabezas en agua pura, mucho después de que el fármaco inicial haya abandonado el tejido, la nueva anatomía persiste en las siguientes rondas de regeneración. |
Máquinas vivientes sintéticas y más allá
Las células pueden construir claramente estructuras que son diferentes de sus resultados anatómicos genómicos predeterminados. Pero, ¿son las células constructoras universales? ¿Podrían hacer algo si supiéramos cómo motivarlos a hacerlo?
Los avances más recientes en el nuevo campo en la intersección de la biología del desarrollo y la informática están impulsados por máquinas vivientes sintéticas conocidas como biobots . Construidas a partir de múltiples poblaciones de células que interactúan, estas máquinas diseñadas tienen aplicaciones en el modelado de enfermedades y el desarrollo de fármacos, y como sensores que detectan y responden a señales biológicas. Recientemente probamos la plasticidad de las células mediante la evolución de diseños in silico con capacidades específicas de movimiento y comportamiento y usamos esta información para esculpir el crecimiento autoorganizado de Xenopus agregado.células de la piel y del músculo. En un entorno novedoso —in vitro, a diferencia del interior de un embrión de rana—, enjambres de células genéticamente normales pudieron reimaginar su forma multicelular. Con un mínimo de esculpido posterior al autoensamblaje, estas células forman “Xenobots” con estructuras, movimientos y otros comportamientos bastante diferentes de lo que podría esperarse si uno simplemente secuenciara su genoma y los identificara como X. laevis de tipo salvaje .
Estas creaciones vivientes son una plataforma poderosa para evaluar y modelar los cálculos que utilizan estos enjambres de células para determinar qué construir. Estos conocimientos nos ayudarán a comprender la capacidad de evolución de las formas corporales, la robustez y la verdadera relación entre los genomas y la anatomía, potenciando en gran medida el impacto de las herramientas de edición del genoma y haciendo que la genómica sea más predictiva para fenotipos a gran escala. Además, los regímenes de prueba de estímulos bioquímicos, biomecánicos y bioeléctricos en estos biobots permitirán el descubrimiento de estímulos óptimos para su uso en terapias regenerativas y construcción de órganos mediante bioingeniería. Finalmente, aprender a programar constructores individuales altamente competentes (células) hacia comportamientos a nivel de grupo, impulsados por objetivos (anatomías complejas) avanzará significativamente en la robótica de enjambres. y ayudar a evitar catástrofes de consecuencias no deseadas durante el inevitable despliegue de un gran número de agentes artificiales con comportamientos complejos.
Comprender cómo las células y los tejidos toman decisiones anatómicas en tiempo real es fundamental para lograr resultados regenerativos demasiado complejos para que podamos gestionarlos directamente.
El campo emergente de la morfología sintética enfatiza un punto conceptual que ha sido adoptado por los científicos de la computación pero hasta ahora resistido por los biólogos: la distinción hardware-software. En la década de 1940, para cambiar el comportamiento de una computadora, el operador tenía que mover literalmente los cables; en otras palabras, tenía que alterar directamente el hardware. La revolución de la tecnología de la información resultó de la comprensión de que ciertos tipos de hardware son reprogramables: se podrían realizar cambios drásticos en la función a nivel del software, cambiando las entradas, no el hardware en sí.
En biomedicina molecular, todavía nos centramos principalmente en manipular el hardware celular, las proteínas que cada célula puede explotar. Pero la evolución ha asegurado que los colectivos celulares utilicen esta maquinaria versátil para procesar información de manera flexible e implementar una amplia gama de resultados de formas corporales a gran escala. Este es el software de la biología : la memoria, la plasticidad y la reprogramabilidad de las redes de control morfogenético.
Las próximas décadas serán un momento extremadamente emocionante para los esfuerzos multidisciplinarios en fisiología del desarrollo, robótica y cognición basal para comprender cómo las células individuales se fusionan en un colectivo con objetivos globales que no pertenecen a ninguna célula individual. Esto impulsará la creación de nuevas plataformas de inteligencia artificial basadas no en copiar arquitecturas cerebrales, sino en las capacidades de resolución de problemas multiescala de células y tejidos. Por el contrario, los conocimientos de la neurobiología cognitiva y la informática nos darán una ventana completamente nueva sobre el procesamiento de la información y la dinámica de la toma de decisiones en colectivos celulares que pueden dirigirse de manera muy efectiva para terapias regenerativas transformadoras de órganos complejos.
Michael Levin es el director del Allen Discovery Center de la Universidad de Tufts y el cuerpo docente asociado del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard. Envíele un correo electrónico a michael.levin@tufts.edu . ML agradece al subdirector del Centro Allen, Joshua Finkelstein, por sus sugerencias sobre los borradores de esta historia.
