El efecto Doppler explicaría una de las etapas de la formación embrionaria en vertebrados

Un equipo interdisciplinario de biólogos y físicos de Argentina, Europa y Estados Unidos estudió en peces cebra el proceso que, durante el desarrollo embrionario, da lugar a los segmentos – llamados somitos – que forman la estructura de los vertebrados. Los resultados, publicados en la revista Science en julio, indican que el ritmo de esta segmentación estaría gobernado por el efecto Doppler.

“Yo soy físico teórico y trabajo con biólogos en distintos temas. En este caso estudiamos el proceso que establece morfológicamente los segmentos de tejido en los vertebrados. Lo que se conocía hasta ahora es que este proceso es rítmico: cada una de las secciones se forma de a una con cierta periodicidad, controlada lineal y directamente por un reloj biológico”, explica Luis Morelli, coautor del trabajo e investigador del CONICET en el Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA, CONICET-UBA).

Esta investigación pudo avanzar gracias al desarrollo previo de una novedosa herramienta de observación: un reportero transgénico (una proteína fluorescente) que permite visualizar en el embrión las oscilaciones de este reloj biológico y el proceso de segmentación, simultáneamente.

El modelo seleccionado fue el pez cebra (Danio rerio) ya que es transparente y permite observar directamente el desarrollo del individuo. Además, es un organismo más simple que otros modelos y el ritmo con el que se establecen los segmentos es de alrededor de 30 minutos, mientras que en roedores demora aproximadamente dos horas.

Según Morelli existen distintos tipos de relojes biológicos, el más conocido es el circadiano que produce el ritmo de sueño y vigilia en humanos y otros organismos. El reloj que estudiaron los científicos es similar: se trata de un reloj genético, es decir, que regula la expresión de algunos genes al prenderse y apagarse periódicamente.

Si hay un reloj, ¿cómo se traduce esa información temporal en un patrón espacial que son los segmentos?

Efecto Doppler en las células

“Lo primero que nos planteamos fue poner a prueba la idea de que el ritmo del reloj establecía directamente el de la segmentación. Lo que encontramos fue bastante sorprendente: en realidad no hay tal sincronía y lo que se da es que los tejidos segmentados se forman a un ritmo más rápido que las oscilaciones genéticas del reloj biológico, que supuestamente las controla”, destaca Morelli.

El efecto Doppler es un principio fundamental de los fenómenos ondulatorios, sean ondas en el agua o la propagación del sonido y la luz ondulatoria. Ocurre que cuando el observador se mueve respecto a la fuente de las ondas – o viceversa -, el efecto es la ilusión de que aumenta la frecuencia, es decir que las crestas de las ondas se perciben a un ritmo mayor del que son emitidas.

Pero, ¿cómo afecta este fenómeno la formación de los segmentos en los vertebrados?

Durante la formación del embrión de un vertebrado el tejido se va organizando en capas celulares que se desarrollan progresivamente. El reloj biológico que organiza el mecanismo genético estudiado por Morelli y equipo se ubica en el mesodermo presomítico (PSM por sus siglas en inglés), una zona del tejido embrionario que finalmente da origen a los somitos, las secciones o segmentos que formarán los músculos y el esqueleto del animal.

Allí, el reloj biológico provoca ondas de acción genética que se propagan por el medio celular como ondas en el agua. Al mismo tiempo sucede que hay un ‘frente’, una barrera de proteínas organizadas en gradiente de menor a mayor, que se mueve hacia el tejido donde está el reloj – el PSM. Es en este frente donde se formarán, a partir de la interacción con el reloj, los somitos o segmentos.

Al avanzar esta barrera de gradientes va deteniendo las oscilaciones de las células producidas por el mecanismo genético en distintos puntos de su ciclo. “Las oscilaciones genéticas se propagan en forma de ondas mientras el frente avanza hacia ellas y las va ‘leyendo’ en una frecuencia mayor a la que realmente son emitidas por el reloj. Esto es efectivamente el efecto Doppler, que explica la asincronía entre los tiempos del reloj y los tiempos de la segmentación”, puntualiza Morelli.

El investigador señala que este descubrimiento podría ser determinante para conocer el mecanismo de segmentación en otras especies de vertebrados, si bien aún resta probar experimentalmente esta nueva hipótesis explicativa.

“La importancia de este trabajo, además de haber detectado y explicado esta diferencia de temporalidades, es que interroga los marcos con los que la ciencia pensaba este problema. A veces intentamos explicar los fenómenos en términos de estados estacionarios, este experimento nos enseña que en realidad las cosas no suceden así, especialmente en biología del desarrollo donde todo parece responder a un gran estado transitorio”, concluye Morelli.