El software de computadora desarrollado en la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis puede predecir lo que sucede con las redes de genes complejos cuando faltan genes individuales o se marcan más de lo habitual. Tales redes genéticas juegan un papel clave en el desarrollo embrionario temprano, guiando a las células madre para formar tipos de células específicas que luego construyen tejidos y órganos. Mapear los roles de genes individuales en estas redes es clave para comprender el desarrollo saludable y encontrar formas de regenerar células y tejidos dañados. Del mismo modo, comprender los errores genéticos podría proporcionar información sobre defectos de nacimiento, abortos espontáneos o incluso cáncer.
Dichos experimentos genéticos, generalmente realizados en el laboratorio en modelos animales como ratones y peces cebra, han sido un pilar de la investigación en biología del desarrollo durante décadas. Se puede aprender mucho sobre la función de un gen en estudios con animales en los que falta un gen o se sobreexpresa, pero estos experimentos también son costosos y consumen mucho tiempo.
Por el contrario, el software recientemente desarrollado llamado CellOracle, descrito el 8 de febrero en la revista Naturaleza — puede modelar cientos de experimentos genéticos en cuestión de minutos, ayudando a los científicos a identificar genes clave que juegan un papel importante en el desarrollo, pero que pueden haber sido pasados por alto por técnicas más antiguas y lentas. CellOracle es de código abierto, con el código y la información sobre el software disponible en este enlace.
«La comunidad científica ha recopilado suficientes datos de experimentos con animales que ahora podemos hacer más que observar lo que sucede en la biología: podemos construir modelos informáticos de cómo los genes interactúan entre sí y predecir qué sucederá cuando falte un gen», dijo el autor principal. Samantha A. Morris, PhD, profesora asociada de biología del desarrollo y genética. «Y podemos hacer esto sin ninguna intervención experimental. Una vez que identificamos un gen importante, todavía tenemos que hacer los experimentos de laboratorio para verificar el hallazgo. Pero este método computacional ayuda a los científicos a determinar qué genes son los más importantes».
CellOracle, que se incluyó en un artículo de tecnología reciente en la revista Naturaleza, es uno de varios sistemas de software relativamente nuevos diseñados para modelar conocimientos sobre la regulación de genes celulares. En lugar de simplemente identificar las redes, CellOracle es único en su capacidad de permitir que los investigadores prueben lo que sucede cuando una red se interrumpe de una manera específica.
Morris y su equipo aprovecharon los conocidos procesos de desarrollo de la formación de células sanguíneas en ratones y humanos y el desarrollo embrionario en el pez cebra para validar que CellOracle funciona correctamente. Sus estudios, en colaboración con el laboratorio de la coautora y experta en desarrollo del pez cebra Lilianna Solnica-Krezel, PhD, Profesora Distinguida Alan A. y Edith L. Wolff y jefa del Departamento de Biología del Desarrollo, también descubrieron nuevas funciones para ciertos genes. en el desarrollo del pez cebra que no se había identificado previamente.
Y en un artículo relacionado en línea en la revista Stem Cell Reports, Morris y sus colegas usaron CellOracle para predecir qué sucede cuando ciertos genes se marcan más allá de sus niveles de expresión habituales.
«Descubrimos que si marcamos dos genes específicos, podemos transformar las células de la piel en un tipo de célula que puede reparar el intestino y el hígado dañados», dijo Morris. «En términos de medicina regenerativa, estas herramientas predictivas son valiosas para modelar cómo podemos reprogramar las células para que se conviertan en los tipos de células que pueden promover la curación después de una lesión o enfermedad».
Según Morris, la mayoría de los métodos de laboratorio para convertir células madre en diferentes tipos de células, como células sanguíneas o células hepáticas, son ineficaces. Tal vez el 2% de las células lleguen al destino deseado. Herramientas como CellOracle pueden ayudar a los científicos a identificar qué factores deben agregarse al cóctel para guiar a más células hacia el tipo de célula deseado, como aquellas capaces de reparar el intestino y el hígado.
En la actualidad, CellOracle puede modelar la identidad celular en más de 10 especies diferentes, incluidos humanos, ratones, peces cebra, levaduras, pollos, cobayos, ratas, moscas de la fruta, gusanos redondos, la planta Arabidopsis y dos especies de ranas.
«Recibimos muchas solicitudes para agregar diferentes especies», dijo Morris. «Estamos trabajando para agregar axolotl, que es un tipo de salamandra. Son animales geniales para estudiar la regeneración debido a su capacidad para regenerar extremidades enteras y otros órganos y tejidos complejos».
