Como humanos, sabemos que un estilo de vida activo nos da cierto control sobre nuestra forma. Cuando pisamos el pavimento, hacemos un seguimiento de nuestros pasos y nos dirigimos al gimnasio, podemos mantener el desarrollo muscular y reducir la grasa corporal. Nuestra actividad física ayuda a moldear nuestra figura física. Pero, ¿y si mantuviéramos ejercicios aeróbicos similares en nuestras formas anteriores? ¿Es posible que nuestros embriones también hicieran ejercicio?
Los investigadores del grupo Ikmi de EMBL dirigieron estas preguntas hacia la anémona de mar para comprender cómo el comportamiento afecta la forma del cuerpo durante el desarrollo temprano. Resulta que las anémonas de mar también se benefician de mantener un estilo de vida activo, particularmente a medida que crecen de larvas nadadoras de forma ovoide a pólipos tubulares sedentarios. Esta transformación morfológica es una transición fundamental en la historia de vida de muchas especies de cnidarios, incluidas las medusas inmortales y los constructores del ecosistema más rico y complejo de nuestro planeta, los arrecifes de coral.
Durante el desarrollo, las larvas de anémona de mar starlet (Nematostela) realizan un patrón específico de movimientos gimnásticos. Demasiada o muy poca actividad muscular o un cambio drástico en la organización de sus músculos pueden desviar a la anémona de mar de su forma normal.
En un nuevo artículo publicado en Biología actual, el grupo Ikmi exploramuestra que este tipo de comportamiento afecta el desarrollo animal. Con experiencia en imágenes en vivo, metodología computacional, biofísica y genética, el equipo multidisciplinario de científicos convirtió imágenes en vivo 2D y 3D en características cuantitativas para rastrear cambios en el cuerpo. Descubrieron que las anémonas de mar en desarrollo se comportan como bombas hidráulicas, regulan la presión corporal a través de la actividad muscular y usan la hidráulica para esculpir el tejido larvario.
«Los humanos usan un esqueleto hecho de músculos y huesos para hacer ejercicio. En contraste, las anémonas de mar usan un hidroesqueleto hecho de músculos y una cavidad llena de agua», dijo Aissam Ikmi, líder del grupo EMBL. Los mismos músculos hidráulicos que ayudan a las anémonas de mar en desarrollo a moverse también parecen afectar la forma en que se desarrollan. Utilizando un canal de análisis de imágenes para medir la longitud, el diámetro, el volumen estimado y la motilidad de la columna corporal en grandes conjuntos de datos, los científicos descubrieron que Nematostela las larvas se dividen naturalmente en dos grupos: larvas de desarrollo lento y rápido. Para sorpresa del equipo, cuanto más activas son las larvas, más tardan en desarrollarse. «Nuestro trabajo muestra cómo las anémonas de mar en desarrollo esencialmente ‘ejercicio’ para construir su morfología, pero parece que no pueden usar su hidroesqueleto para moverse y desarrollarse simultáneamente», dijo Ikmi.
Hacer microscopios y construir globos.
«Hubo muchos desafíos para hacer esta investigación», explica el primer autor y ex predoctorado de EMBL Anniek Stokkermans, ahora un postdoctorado en el Instituto Hubrecht en los Países Bajos. «Este animal es muy activo. La mayoría de los microscopios no pueden grabar lo suficientemente rápido para mantenerse al día con los movimientos del animal, lo que genera imágenes borrosas, especialmente cuando quieres verlo en 3D. Además, el animal es bastante denso, por lo que la mayoría de los microscopios ni siquiera pueden ver la mitad del animal».
Para mirar más profundo y más rápido, Ling Wang, un ingeniero de aplicaciones en el grupo Prevedel en EMBL, construyó un microscopio para capturar larvas de anémona de mar vivas y en desarrollo en 3D durante su comportamiento natural.
«Para este proyecto, Ling ha adaptado específicamente una de nuestras tecnologías principales, la Microscopía de Coherencia Óptica o OCM. La ventaja clave de OCM es que permite que los animales se muevan libremente bajo el microscopio al mismo tiempo que brinda una vista clara y detallada del interior y en 3D». dijo Robert Prevedel, líder del grupo EMBL. «Ha sido un proyecto emocionante que muestra las muchas interfaces diferentes entre los grupos y disciplinas del EMBL».
Con esta herramienta especializada, los investigadores pudieron cuantificar los cambios volumétricos en el tejido y la cavidad corporal. «Para aumentar su tamaño, las anémonas de mar se inflan como un globo tomando agua del medio ambiente», explicó Stokkermans. «Luego, al contraer diferentes tipos de músculos, pueden regular su forma a corto plazo, muy parecido a apretar un globo inflado por un lado y verlo expandirse por el otro lado. Creemos que esta expansión local impulsada por la presión ayuda a estirar el tejido, por lo que el animal lentamente se vuelve más alargado. De esta manera, las contracciones pueden tener efectos tanto a corto como a largo plazo».
Globos y anémonas de mar
Para comprender mejor la hidráulica y su función, los investigadores colaboraron con expertos de todas las disciplinas. Prachiti Moghe, un predoctorado de EMBL en el grupo Hiiragi, midió los cambios de presión que provocan deformaciones corporales. Además, el matemático L. Mahadevan y el ingeniero Aditi Chakrabarti de la Universidad de Harvard introdujeron un modelo matemático para cuantificar el papel de las presiones hidráulicas en la conducción de cambios de forma a nivel del sistema. También diseñaron globos reforzados con bandas y cintas que imitan la gama de formas y tamaños que se ven en animales normales y con defectos musculares.
«Dada la ubicuidad de los esqueletos hidrostáticos en el reino animal, especialmente en los invertebrados marinos, nuestro estudio sugiere que la hidráulica muscular activa juega un papel amplio en el principio de diseño de los animales de cuerpo blando», dijo Ikmi. «En muchos sistemas de ingeniería, la hidráulica se define por la capacidad de aprovechar la presión y el flujo en trabajo mecánico, con efectos de largo alcance en el espacio-tiempo. A medida que la multicelularidad animal evolucionó en un entorno acuático, proponemos que los primeros animales probablemente explotaron la misma física , con la hidráulica impulsando tanto las decisiones de desarrollo como las de comportamiento».
Como el grupo Ikmi estudió previamente las conexiones entre la dieta y el desarrollo de tentáculos, esta investigación agrega una nueva capa para comprender cómo se desarrollan las formas del cuerpo.
«Todavía tenemos muchas preguntas a partir de estos nuevos hallazgos. ¿Por qué hay diferentes niveles de actividad? ¿Cómo detectan y traducen exactamente las células la presión en un resultado de desarrollo?». Stokkermans reflexiona mientras considera hacia dónde conduce esta investigación. «Además, dado que las estructuras en forma de tubo forman la base de muchos de nuestros órganos, estudiar los mecanismos que se aplican a Nematostela también ayudará a obtener una mayor comprensión de cómo la hidráulica juega un papel en el desarrollo y la función de los órganos».
