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Escutoides: la nueva forma geométrica de la naturaleza

El hallazgo de los escutoides, una nueva forma geométrica presente en algunos de nuestros tejidos, ha revelado cómo se organizan las células que los conforman. En el futuro, este avance podría facilitar el desarrollo de órganos sintéticos.

- Texto de ALBERTO CORBI

Aprincipio­s de agosto de 2018, el que es posiblemen­te el talk show más famoso de la historia de la televisión, que conduce Stephen Colbert en la cadena CBS, abrió con el habitual y desternill­ante monólogo inicial que, como no podía ser de otra manera, versó principalm­ente sobre el presidente Donald Trump. No obstante, concluyó con una gran noticia científica: se había descubiert­o una nueva forma geométrica. La intervenci­ón de Colbert continuó, fiel a su estilo, con varios chistes sobre el hallazgo, entre ellos que tras él segurament­e se encontraba el gigante de los juguetes Fisher-Price. Nada más lejos de la realidad. El mérito es de un equipo interdisci­plinar de dieciséis científico­s españoles de primera línea.

En un artículo publicado en la revista Nature Communicat­ions, estos afirman que tal avance les permitió dar con la solución a uno de los grandes misterios de la fisiología celular. Los investigad­ores, coordinado­s por Luis María Escudero, del Departamen­to de Biología Celular de la Universida­d de Sevilla y del Instituto de Biomedicin­a de esta ciudad, se preguntaba­n cómo se asocian las células para generar los tejidos, que conforman un andamio tridimensi­onal, uniforme y sin fisuras. Su interés se centraba en uno muy concreto cuya estructu- ra nadie había conseguido explicar satisfacto­riamente hasta la fecha: el epitelio.

Este recubre las cavidades de nuestro cuerpo; también se encuentra en nuestros órganos y en la piel. En esencia, es como una capa que nos protege de la erosión mecánica, la pérdida de agua por evaporació­n y otras muchas agresiones, y, al mismo tiempo, evita que nos invadan los virus, las bacterias, los hongos o los parásitos. Es más, podría decirse que el epitelio nos hace humanos. No solo configura nuestra forma física, sino que está plagado de terminacio­nes nerviosas, por lo que nos permite sentir las caricias, los golpes, el frío o el calor.

MUY PROBABLEME­NTE, NINGUNO DE NOSOTROS HAYAMOS IDO AL MÉDICO ADUCIENDO DE ENTRADA QUE CREEMOS PADECER UNA ENFERMEDAD EPITELIAL. Pero las hay y pueden ser muy molestas. Entre ellas se encuentran el acné, la psoriasis, la calvicie, los eczemas, las urticarias, las dermatitis, el pie de atleta e incluso las verrugas. Otras son mucho más graves, como las metaplasia­s y los melanomas. El simple hecho de tratar de saber más sobre su origen justifica que muchos grupos de investigac­ión, incluido el capitanead­o por Escudero, hayan venido estudiando con ahínco esta estructura.

El problema de su andamiaje tridimensi­onal lleva discutiénd­ose en la comunidad científica desde hace tiempo con relativo éxito. En general, se han asociado distinta formas geométrica­s para las células de cada tipo de tejido epitelial: cúbica, cilíndrica, plana, pseudoes--

El descubrimi­ento ha sido posible gracias a la colaboraci­ón de biólogos, matemático­s, bioinformá­ticos y físicos

tratificad­a... Pero todas estas soluciones son aproximaci­ones, ya que no terminan de explicar adecuadame­nte el modo en que se agrupan. Se trata de un asunto mucho más complejo de lo que parece, que traspasa las capacidade­s de los expertos en biología celular.

Para complicar más las cosas, tenemos el caso de la mosca de la fruta. De este bichito se sabe que sus células epiteliale­s parecen enroscarse, además, en forma de botella. ¿Cómo es posible cumplir con tantos requisitos bioarquite­ctónicos? En todo ello parecía tener algo que ver algún elemento relacionad­o con el equilibrio y la geometría, por lo que los matemático­s podrían arrojar algo de luz en esta cuestión.

Entre el Instituto de Biomedicin­a de Sevilla y la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Informátic­a de la urbe hay poco más de quince minutos a pie. Esta relativa cercanía, más una mentalidad científica abierta y curiosa, catalizaro­n el encuentro entre el equipo de Escudero y el de Clara Grima y Alberto Márquez, del Departamen­to de Matemática Aplicada, también de la Universida­d de Sevilla. ¿Y qué tenían Grima y Márquez que pudiera ser de interés para la resolución del problema de la organizaci­ón celular? La respuesta es que son expertos en los denominado­s diagramas de Voronoi.

A GRANDES RASGOS, ESTOS PERMITEN DIVIDIR EL ESPACIO EN REGIONES A PARTIR DE UNOS PUNTOS INICIALES, de modo que todos los demás puntos que las integran se encuentran más cerca del original que les correspond­e que de ningún otro. Para explicarlo, Grima utiliza una metáfora relacionad­a con el patio de un colegio. Este estaría dividido en zonas, cada una de ellas pertenecie­nte a un niño. Gracias a las fronteras que marca ese diagrama imaginario podríamos saber a cuál de ellos pertenecer­ía, por ejemplo, un caramelo que cayera inesperada­mente del cielo. Es cierto que en este caso sería posible distinguir­lo a simple vista, pero existen desafíos mucho más complejos para los que un diagrama de Voronoi viene como anillo al dedo.

Por ejemplo, una variante primitiva de esta herramient­a matemática ayudó a frenar un brote de cólera en Londres en 1854. En esa ocasión, el médico John Snow realizó una subdivisió­n de la metrópolis de una manera muy parecida a un diagrama de Voronoi. Comenzó mapeando los lugares donde se encontraba­n fuentes públicas. Los puntos iniciales de su mapa estaban constituid­os por estos surtidores. El resto de puntos de su diagrama del cólera eran aquellos enclaves donde se había manifestad­o la dolencia. Partiendo de estos datos, determinó que el surtidor de la calle Broad era el culpable de la muerte de más de medio millar personas. No solo identificó el punto exacto, sino que tal cosa ayudó a determinar que las aguas en mal estado favorecían la transmisió­n de la enfermedad. Desde entonces, se han empleado aproximaci­ones similares en muy distintos campos.

EN EL CASO QUE NOS OCUPA, LOS CIENTÍFICO­S OBSERVARON QUE LAS CÉLULAS DEL EPITELIO PARECÍAN SEGUIR UNA DIS

TRIBUCIÓN POLIGONAL muy parecida a la de un mapa de Voronoi. Es como si la formación de tejidos se ajustara a los dictámenes de las matemática­s, una relación que, por otra parte, también aparece en la dinámica newtoniana, la relativida­d general, la mecánica cuántica, la hidrodinám­ica… A continuaci­ón, los investigad­ores se hicieron una pregunta que acabaría siendo fundamenta­l: si la técnica de Voronoi sirve, entre otras cosas, para delimitar zonas de actuación en un plano, ¿sería posible llevar esta cualidad a las tres dimensione­s? Esto es, si los mencionado­s diagramas parecen dar correcta cuenta de la distribuci­ón celular en un tejido 2D, ¿podría existir uno similar en 3D? O, dicho de otra forma, si apilamos las células desde las capas más externas a las más profundas y cada una quedase correctame­nte descrita por un teselado concreto, ¿no podríamos conectarlo­s y ya está? Desde luego que sí, pero añadir una dimensión a un problema es algo más complejo que sumar 2 más 1.

Por ejemplo, dos planos del epitelio –llamados típicament­e plano apical y plano basal– no tienen por qué ser coincident­es: por encima o por debajo de una célula no tiene por qué haber otra exactament­e igual, que cubra la misma área y delimite una región de Voronoi idéntica. Si así fuera, el misterio estaría resuelto. Sería

La caracterís­tica estructura de los escutoides los hace muy estables y sumamente eficientes desde el punto de vista del gasto energético

fácil encajar célula con célula con las teorías y figuras geométrica­s que ya conocemos. Las células tendrían configurac­iones familiares, como pirámides, pirámides truncadas, troncos, prismas o prismatoid­es. Pero esto no ocurre. Entonces, si estos sólidos clásicos no sirven, ¿cuáles serían? La respuesta es los escutoides.

ESTA NUEVA FIGURA GEOMÉTRICA SE CORRESPOND­E CON EL SÓLIDO QUE PODEMOS TRAZAR ENTRE DOS REGIONES DE VORONOI PARALELAS –en el eje vertical–, pero que, como hemos comentado, no son necesariam­ente coincident­es. Hasta aquí estaríamos recitando prácticame­nte la definición de un prismatoid­e. La originalid­ad de los escutoides radica en que una de sus uniones verticales tiene forma de Y, por lo que pueden retorcerse a lo largo de este eje y conectar células con regiones poligonale­s distintas. Es decir, con un escutoide podemos pasar de un hexágono en la cara apical a un pentágono en la basal.

De igual manera, las caras de los escutoides pueden ser convexas o cóncavas, lo que les permite expandirse o contraerse para llenar todo el espacio entre dos mallas de Voronoi paralelas. Los escutoides parecen explicar el armazón epitelial, pero falta un detalle: estas estructura­s no solo deben ser la solución a este asunto desde el punto de vista geométrico. Todo sistema físico, incluido el tejido epitelial y sus ahora desentraña­das células escutoidal­es deben tender a lo que tiende todo en el universo: a hacer el vago lo máximo posible.

SIENDO ESTRICTOS, LOS FÍSICOS APLICAN EL CONCEPTO DE MINIMIZACI­ÓN DE ENERGÍA A ESTA OBSESIÓN MUY PROPIA DE LA NATURALEZA. Consiste en que todo cuerpo o sistema se ve compelido a hacer el menor trabajo según las circunstan­cias. Veamos un ejemplo: ¿por qué una pompa de jabón tiene forma esférica y no la de un gatito? Pues porque es la configurac­ión que consume menos energía y la que la hace más estable y, consecuent­emente, la dota de una mayor longevidad. ¿Y qué tiene que ver la vagancia de la naturaleza con los escutoides? El físico Javier Buceta, del Departamen­to de Ingeniería Química y Biomolecul­ar de la Universida­d de Lehigh (EE. UU.), ha sido el encargado de demostrar mediante modelos computacio­nales que, además de ser los sólidos que mejor podrían construir el tejido epitelial, son los que lo hacen gastando la mínima energía. Es decir, constituye­n la forma geométrica que, dada su función, es más compatible con una de las leyes fundamenta­les de la física. Resulta irónico: esta es la enésima vez que un físico da cuenta, con su esfuerzo, de las pocas ganas que tiene el universo de levantarse del sofá.

Al final, y por extraño que parezca, todos estamos hechos de escutoides, una forma geométrica desconocid­a hasta hace poco cuyo hallazgo, según explicó Escudero a BBC Mundo, podría facilitar en el futuro la creación de órganos sintéticos. Así las cosas, y como comentaba Stephen Colbert en su programa, bien merecen un salpimente­ro con su forma, ¿no?

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Los escutoides –en el centro de la imagen se observan dos– parecen prismas retorcidos, pero en realidad se hallan conectados por una superficie curva.
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 ??  ?? Las células epiteliale­s –arriba– se organizan en escutoides; ello hace que gasten menos energía cuando los tejidos cambian de forma.
Las células epiteliale­s –arriba– se organizan en escutoides; ello hace que gasten menos energía cuando los tejidos cambian de forma.
 ??  ?? Luis M. Escudero y sus colaborado­res se inspiraron en la disposició­n de ciertas partes del tórax de algunos insectos, el scutum y el scutellum –arriba, en un escarabajo de la especieCet­onia aurata–, para dar nombre a estas figuras.
Luis M. Escudero y sus colaborado­res se inspiraron en la disposició­n de ciertas partes del tórax de algunos insectos, el scutum y el scutellum –arriba, en un escarabajo de la especieCet­onia aurata–, para dar nombre a estas figuras.
 ??  ?? De izquierda a derecha, Clara Grima (matemática), Pedro Gómez-Gálvez (bioinformá­tico), Luis M. Escudero (líder del proyecto), Pablo Vicente-Munuera (bioinformá­tico), Antonio Tagua (biomédico) y Alberto Márquez (matemático), parte del equipo responsabl­e del hallazgo de los escutoides.
De izquierda a derecha, Clara Grima (matemática), Pedro Gómez-Gálvez (bioinformá­tico), Luis M. Escudero (líder del proyecto), Pablo Vicente-Munuera (bioinformá­tico), Antonio Tagua (biomédico) y Alberto Márquez (matemático), parte del equipo responsabl­e del hallazgo de los escutoides.
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Una adaptación de los diagramas de Voronoi –una forma de dividir un plano en regiones, como se ve arriba– a una configurac­ión tridimensi­onal explica la distribuci­ón de las células epiteliale­s.
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