Los óvulos son, con mucho, las células más grandes producidas por la mayoría de los organismos. En los seres humanos, son varias veces más grandes que una célula corporal típica y unas 10.000 veces más grandes que los espermatozoides.
Hay una razón por la que los óvulos, u ovocitos, son tan grandes: necesitan acumular suficientes nutrientes para mantener un embrión en crecimiento después de la fertilización, además de las mitocondrias para impulsar todo ese crecimiento. Sin embargo, los biólogos aún no comprenden la imagen completa de cómo los óvulos se vuelven tan grandes.
Un nuevo estudio en moscas de la fruta, realizado por un equipo de biólogos y matemáticos del MIT, revela que el proceso a través del cual el ovocito crece de manera significativa y rápida antes de la fertilización se basa en fenómenos físicos análogos al intercambio de gases entre globos de diferentes tamaños. Específicamente, los investigadores demostraron que las "células nodrizas" que rodean el ovocito mucho más grande vierten su contenido en la célula más grande, al igual que el aire fluye de un globo más pequeño a uno más grande cuando están conectados por pequeños tubos en una configuración experimental.
"El estudio muestra cómo la física y la biología se unen, y cómo la naturaleza puede usar procesos físicos para crear este mecanismo robusto", dice Jörn Dunkel, profesor asociado de matemáticas aplicadas físicas del MIT. "Si quieres desarrollarte como embrión, uno de los objetivos es hacer que las cosas sean muy reproducibles, y la física proporciona una forma muy sólida de lograr ciertos procesos de transporte".
Dunkel y Adam Martin, profesor asociado de biología del MIT, son los autores principales del artículo, que aparece esta semana en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias. Los autores principales del estudio son el postdoctorado Jasmin Imran Alsous y el estudiante graduado Nicolas Romeo. Jonathan Jackson, estudiante de posgrado de la Universidad de Harvard, y Frank Mason, profesor asistente de investigación en la Facultad de Medicina de la Universidad de Vanderbilt, también son autores del artículo.
Un proceso fisico
En las hembras de la mosca de la fruta, los huevos se desarrollan dentro de grupos de células conocidos como quistes. Un ovocito inmaduro se somete a cuatro ciclos de división celular para producir un óvulo y 15 células nodrizas. Sin embargo, la separación de las celdas es incompleta y cada celda permanece conectada a las demás por canales estrechos que actúan como válvulas que permiten que el material pase entre las celdas.

Los miembros del laboratorio de Martin comenzaron a estudiar este proceso debido a su antiguo interés en la miosina, una clase de proteínas que pueden actuar como motores y ayudar a que las células musculares se contraigan. Imran Alsous realizó imágenes en vivo de alta resolución de la formación de huevos en moscas de la fruta y descubrió que la miosina sí juega un papel, pero solo en la segunda fase del proceso de transporte. Durante la fase más temprana, los investigadores se sorprendieron al ver que las células no parecían estar aumentando su contractilidad en absoluto, lo que sugiere que un mecanismo distinto al de "apretar" estaba iniciando el transporte.
"Las dos fases son sorprendentemente obvias", dice Martin. "Después de ver esto, nos quedamos perplejos, porque realmente no hay un cambio en la miosina asociado con el inicio de este proceso, que es lo que esperábamos ver".
Martin y su laboratorio luego unieron fuerzas con Dunkel, quien estudia la física de superficies blandas y materia fluida. Dunkel y Romeo se preguntaron si las células se comportarían de la misma manera que los globos de diferentes tamaños cuando están conectados. Si bien uno podría esperar que el globo más grande pierda aire hacia el más pequeño hasta que tengan el mismo tamaño, lo que realmente sucede es que el aire fluye desde el más pequeño hacia el más grande.
Esto sucede porque el globo más pequeño, que tiene una mayor curvatura, experimenta más tensión superficial y, por lo tanto, una presión más alta que el globo más grande. Por tanto, el aire sale del globo más pequeño y entra en el más grande. "Es contradictorio, pero es un proceso muy sólido", dice Dunkel.
Adaptando ecuaciones matemáticas que ya se habían derivado para explicar este "efecto de dos globos", los investigadores idearon un modelo que describe cómo se transfiere el contenido celular de las 15 células nodrizas pequeñas al ovocito grande, según sus tamaños y sus conexiones. el uno al otro. Las células nodrizas de la capa más cercana al ovocito transfieren su contenido primero, seguidas de las células de las capas más distantes.

"Después de pasar un tiempo construyendo un modelo más complicado para explicar el problema de las 16 celdas, nos dimos cuenta de que la simulación del sistema más simple de 16 globos se parecía mucho a la red de 16 celdas. Es sorprendente ver que algo tan contradictorio pero Las ideas matemáticamente simples describen el proceso muy bien ", dice Romeo.
La primera fase del vertido de células nodriza parece coincidir con el momento en que los canales que conectan las células se vuelven lo suficientemente grandes para que el citoplasma se mueva a través de ellos. Una vez que las células nodrizas se reducen a aproximadamente el 25 por ciento de su tamaño original, dejándolas solo un poco más grandes que sus núcleos, se desencadena la segunda fase del proceso y las contracciones de miosina fuerzan el contenido restante de las células nodrizas al óvulo.
"En la primera parte del proceso, hay muy poca compresión y las células simplemente se encogen de manera uniforme. Luego, este segundo proceso comienza hacia el final, donde comienza a obtener una compresión más activa, o deformaciones similares a la peristalsis de la célula, que completan el proceso de descarga ", dice Martin.
Cooperación celular
Los hallazgos demuestran cómo las células pueden coordinar su comportamiento, utilizando mecanismos biológicos y físicos, para provocar un comportamiento a nivel de tejido, dice Imran Alsous.
"Aquí, tienes varias células nodrizas cuyo trabajo es cuidar el futuro óvulo y, para hacerlo, estas células parecen transportar su contenido de manera coordinada y direccional al ovocito", dice.
Los ovocitos y el desarrollo embrionario temprano en las moscas de la fruta y otros invertebrados tienen algunas similitudes con los de los mamíferos, pero se desconoce si el mismo mecanismo de crecimiento de los óvulos podría observarse en humanos u otros mamíferos, dicen los investigadores.
"Hay evidencia en ratones de que el ovocito se desarrolla como un quiste con otras células interconectadas, y que hay algún transporte entre ellas, pero no sabemos si los mecanismos que estamos viendo aquí operan en los mamíferos", dice Martin.
Los investigadores ahora están estudiando qué desencadena el inicio de la segunda fase del proceso de descarga, impulsada por miosina. También están investigando cómo los cambios en los tamaños originales de las células nodrizas podrían afectar la formación de óvulos.
La investigación fue financiada por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales, un Premio Académico de Sistemas Complejos de la Fundación James S. McDonnell y el Fondo de Becas Distinguidas Robert E. Collins.