Celeste Nelson amplía los supuestos sobre el desarrollo

Celeste Nelson amplía los supuestos sobre el desarrollo

Por Yakov Zinberg para Princeton University Discovery: Investigación en la revista Princeton

Las suposiciones de Celeste Nelson se amplifican sobre biología del desarrollo desde que abrió su laboratorio en Princeton hace 16 años.

Como parte de su investigación sobre cómo se desarrollan los pulmones antes del nacimiento, ella y un estudiante de posgrado se dieron cuenta de que podían medir el efecto de cierta sustancia química en los patrones de crecimiento pulmonar en embriones de pollo. Presentaron con entusiasmo su trabajo para revisión por pares, pero recibieron una respuesta tibia.

«Uno de los revisores dijo que estaba bien», recordó Nelson, «pero ya se sabía porque la gente había visto fenómenos similares en ratas, y las ratas son como pollos». Debido a que la sabiduría convencional de la época sostenía que los pulmones de los pollos estaban construidos y funcionaban como los pulmones de los ratones y de los humanos, los hallazgos de Nelson en los pollos se consideraron extraordinarios.

En lugar de aceptar este status quo, Nelson alentó a realizar más investigaciones sobre cómo el desarrollo pulmonar, también conocido como morfogénesis pulmonar, difiere entre especies. «Fue en parte debido a ese comentario que decidimos profundizar en estas posibles diferencias entre aves, mamíferos y reptiles», dijo Nelson, quien ahora es profesor de Bioingeniería de la Familia Wilk en Princeton. Desde entonces, ella y su equipo de investigación han identificado mecanismos únicos que gobiernan el funcionamiento de los pulmones de los pollos, las gallinas y, más recientemente, un lagarto llamado anole marrón. En lugar de centrarse en las moléculas implicadas en estos procesos, utilizan la física y la ciencia de los materiales para comprender cómo se pliega y se forma el tejido pulmonar en los pulmones que sustenta la respiración inmediatamente después del nacimiento.

Ella y su equipo de investigación han descubierto que los miembros del reino animal tienen diseños eficientes para construir pulmones que podrían revolucionar la forma en que diseñamos el tejido humano. La diversidad evolutiva en el desarrollo pulmonar puede inspirar nuevas formas de reconstruir el tejido pulmonar humano fuera del cuerpo, que podría usarse para tratar a personas con enfermedades pulmonares crónicas.

«La ingeniería de tejidos tradicional tendría que decir: ‘¿Cómo hace esto un ratón? ¿Cómo lo hace un humano? Hagámoslo de esta manera'», dijo Nelson. Pero la naturaleza, dice Nelson, ha encontrado muchas maneras de producir pulmones, y Podemos aprender algo de cada uno de estos enfoques: «Hay belleza en la diversidad», añadió, «y podemos construir una caja de herramientas de ingeniería a partir de los mecanismos de diversidad que descubramos».

animal salvaje

Ningún material artificial puede igualar perfectamente las propiedades y funciones de los pulmones, pero Nielsen compara los pulmones con globos: tanto el globo como los pulmones aspiran y expulsan aire y están aislados del ambiente exterior por una fina capa de material, ya sea plástico. o células pulmonares. Para darle forma a un globo simple y darle una estructura más compleja (pensemos en los animales con globos) es necesario conocer las propiedades del material del globo, como su flexibilidad y compresibilidad, así como las fuerzas que se aplicarán al material. tipo. Los mismos factores determinan cómo se forman los pulmones.

Nelson descubrió que un tipo de tejido resistente llamado músculo liso, que anteriormente se pensaba que no tenía ningún papel en el desarrollo pulmonar, es importante para la formación de ramas en los pulmones de los ratones. Los pulmones de los mamíferos tienen millones de tubos microscópicos llamados bronquiolos que se ramifican desde grandes vías respiratorias como las ramas de los árboles.

Utilizando células de ratón que expresan una proteína fluorescente, el equipo de Nielsen creó un vídeo en cámara rápida que mostraba un músculo liso envolviéndose alrededor de un bronquiolo largo como un cable telefónico, ramificando el bronquiolo liso en dos ramas hijas. . Este proceso ocurre en el extremo de cada rama en crecimiento, lo que resulta en millones de eventos de ramificación durante el desarrollo del hongo. Los investigadores descubrieron que este mecanismo es el resultado de la diferente elasticidad de los tejidos y de las fuerzas fisiológicas de los pulmones.

El último organismo modelo del laboratorio de Nelson, el anole marrón, ha proporcionado información sorprendente sobre cómo se pueden desarrollar los hongos. Este lagarto mide aproximadamente el largo de un lápiz cuando es adulto y puede identificarse por su papada, un colgajo de piel de color naranja vibrante que cuelga de la garganta. Debido a que estos yunques son altamente invasivos en Florida, dos estudiantes graduados del laboratorio viajaron allí para capturar algunos e hicieron el viaje nocturno de regreso a Princeton con sus nuevos colegas. (Resulta que no puedes llevar una docena de anolis en un avión ni registrarte en un hotel con ellos).

En lugar de comparar los pulmones moleculares con un globo, Nelson y su laboratorio descubrieron que se parecían más a un material diferente: una bola de presión, específicamente una con una malla en el exterior que se hincha cuando se aprieta y crece en órganos pequeños. Los pulmones de Anole no contienen las complejas ramificaciones que se encuentran en los pulmones de los ratones. En cambio, la parte frontal del pulmón es un lóbulo de tejido delgado conocido como epitelio que forma protuberancias en su superficie. El músculo liso forma una red hexagonal a través de la cual las protuberancias de epitelio son empujadas hacia adelante por la fuerza de la presión del líquido desde el interior del pulmón. No más de dos días después de que comience este proceso, lo que el grupo de Nelson llamó «morfogénesis de bola de estrés», los pulmones están completamente formados, listos para llevar a cabo el intercambio de gases a través de las protuberancias del epitelio.

Los científicos necesitan más investigación antes de construir pulmones fuera del cuerpo. Construir los delicados vasos sanguíneos que mantienen vivos los tejidos, por ejemplo, es un rompecabezas particularmente difícil que los bioingenieros aún tienen que resolver. El estudio de Nelson sobre el desarrollo pulmonar en diferentes especies ayuda a identificar modelos de diseño biológico que podrían influir potencialmente en las aplicaciones biotecnológicas. Aunque la biología molecular y la humana tienen poco en común, la velocidad y la belleza inesperadas (y previamente desconocidas) de la morfogénesis de la speedball pueden resultar útiles para los ingenieros que intentan facilitar el diseño de pulmones humanos artificiales.

Miró el sistema con ojos nuevos.

La mayoría de los grupos de investigación académicos son altamente especializados: los biólogos suelen ser los únicos que trabajan en laboratorios biológicos, y tanto los químicos como los físicos se apegan a los de su propia especie. El grupo de investigación de Nelson, sin embargo, es notablemente diverso e incluye biólogos, físicos, matemáticos, bioingenieros y herpetólogos (expertos en reptiles) que colaboran regularmente. Para Nelson, crear un entorno interdisciplinario es fundamental para el proceso de investigación.

«Lo que me encanta de reunirlos a todos en un laboratorio es que comienzan a cuestionar las suposiciones de los demás», dijo Nelson.

«Todo el mundo viene con un cierto nivel de ignorancia, y esa ignorancia es un gran superpoder, porque no saben qué es un perro», añadió. «Todos nuestros hallazgos importantes se han producido porque desconocíamos por completo cómo se supone que funciona la biología y porque realmente observamos los sistemas con ojos nuevos».

Dentro de la comunidad biológica, por ejemplo, tradicionalmente se ha asumido que los rasgos conservados (aquellos compartidos por diferentes especies y seleccionados por la evolución en múltiples ocasiones) son inherentemente importantes, mientras que los rasgos de la naturaleza en el extranjero son menos dignos de estudio. Debido a que muchos miembros del grupo de Nelson se formaron fuera del mundo de la biología, no se centran en sus supuestos y no tienen problemas en priorizar el estudio de características desatendidas, como los mecanismos del desarrollo pulmonar.

Bezia Lima, investigadora asociada postdoctoral que trabaja con Nelson, ejemplifica la tenacidad del equipo. Con un doctorado. En física, Lima quería aplicar su experiencia al estudio de enfermedades del desarrollo en pollos. Todos le dijeron que los dos no eran iguales, pero encontró un hogar en el grupo de Nelson, donde ahora está investigando la termodinámica del desarrollo del pulmón de pollo. Él le da crédito a sus nuevos colegas por ayudarlo a capturar técnicas de vanguardia que no están en el arsenal de un físico promedio, como la disección de embriones de pollo.

«La gente fue muy indulgente con mi falta de conocimiento sobre la biología del desarrollo y estaban muy dispuestos a hablarme en mi lenguaje de física y tratar de llevarme al lenguaje de la biología del desarrollo», dijo Lima sobre sus compañeros de laboratorio.

Lima comparó una típica reunión de laboratorio con una clase de introducción a una lengua extranjera. «Todos en la sala están tratando de aprender francés, pero nadie en la sala habla el mismo idioma y todos tenemos que engancharnos al francés juntos». Y luego hay algunos franceses en la sala que de alguna manera nos convencen de recorrerlo», dijo Lima, donde «francés» puede ser ciencia de materiales un día y biología molecular al siguiente.

Estas habilidades de comunicación permiten a los científicos discutir sus investigaciones entre sí, y Nelson espera que el equipo utilice estas habilidades para comunicar sus investigaciones futuras al público en general una vez que abandonen Princeton. Habilidades como explicar la jerga, dividir conceptos difíciles en partes digeribles y sintetizar datos en una historia sobre una sola pregunta de investigación son interminables para los científicos interesados ​​en compartir su investigación, incluso sus métodos de investigación.

«Estas son habilidades que normalmente no se enseñan a los científicos e ingenieros», dijo Nelson, «y creo que son realmente una de las capacitaciones más importantes que podemos brindar». Cualquiera que sea la carrera profesional que elijan, poder comunicarse es esencial.

diversificarse

Fue gracias a un generoso estudiante de posgrado que Nelson puso su mirada en una carrera en investigación. Como estudiante en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, tenía un trabajo de estudio y trabajo lavando cristalería en un laboratorio de biología. Siempre había estado interesada en la biología, pero la consideraba algo que se aprende en el aula, no una actividad práctica en la que una persona puede explorar y, ciertamente, no es algo con lo que se pueda hacer una carrera exitosa. Durante el otoño de su segundo año, una estudiante de posgrado en el laboratorio le preguntó si quería ayudar con un experimento, uno relativamente simple para medir cómo las células interactúan con diferentes proteínas. Nelson se sorprendió.

«Estaba tan emocionada», dijo. “Llegué a casa para las vacaciones de invierno y estaba caminando de un lado a otro, diciéndole a mi mamá que iba a trabajar con anticuerpos. Había algo genial en ir a un laboratorio, montar un experimento y luego ver los resultados por primera vez. Eso me atrajo a la ciencia.

Nelson dijo que este entusiasmo lo comparten los científicos de Princeton. «Es un lugar en el que he estado, donde la gente está legítimamente entusiasmada todo el tiempo y todo el tiempo hablan de ciencia y están dispuestas a ayudar», dijo Nelson. Esto facilita la colaboración entre varios laboratorios del campus y Nelson trabaja en estrecha colaboración con dos colegas de Princeton. Uno de ellos es Andrzej Kosmeralj, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial, que dirige un grupo que se especializa en la creación de modelos computacionales para simular las fuerzas detrás de procesos biológicos como la morfogénesis pulmonar. Al incorporar datos sobre las propiedades materiales del tejido pulmonar, estos modelos muestran cómo responde el tejido a las fuerzas dentro del feto.

Otro miembro del trío es Jared Toettcher, profesor asociado de biología molecular, que utiliza la optogenética, una técnica para controlar la expresión genética mediante señales luminosas, para monitorear y regular el comportamiento celular. Como parte del estudio del anole, Toettcher y su equipo diseñaron componentes optogenéticos que permitieron controlar con éxito cuándo y dónde se contrae el músculo liso, lo que podría ser el primer paso hacia el control de cómo diseñar los pulmones humanos.

Los pulmones no son los únicos órganos que crecen mediante patrones de ramificación, y Nelson está investigando algunos más. Recientemente recibió el Premio Pionero del Director de los Institutos Nacionales de Salud por su investigación sobre cómo se sincroniza el desarrollo de los pulmones, el páncreas y los riñones para que los tres órganos estén completamente maduros al nacer. Ella llama a esto el proyecto «Cena de Acción de Gracias».

“Si piensas en la cena de Acción de Gracias, querrás que todo esté listo a la hora de la cena: quieres que el pavo esté listo al mismo tiempo que las verduras y las verduras al mismo tiempo. Si algo se enfría demasiado rápido, se seca o se enfría. Si algo se hace tarde, la gente se queja porque está esperando.

Los defectos en el momento del desarrollo de los órganos se han relacionado con defectos congénitos y enfermedades crónicas, pero todavía es un misterio cómo se desarrollan los órganos al ritmo correcto. «Jenn siempre logra resolver el problema de la cena de Acción de Gracias, sin importar la diferencia», dijo Nelson.

Los pulmones, sin embargo, siempre serán el corazón de Nelson. Y hay muchos otros tipos de hongos por explorar. Su laboratorio ahora ha comenzado a estudiar el desarrollo pulmonar en renacuajos, que nacen con branquias pero les crecen pulmones a medida que se transforman en ranas. Nelson y un equipo diverso de expertos en su laboratorio están desarrollando otro mecanismo para el crecimiento pulmonar para revelar aún más la belleza infinitamente diversa de la naturaleza.

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