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Las manchas redondas de los leopardos, las rayas verticales de las cebras y los diseños geométricos característicos de las serpientes respetan patrones de color, cuyos mecanismos de desarrollo no han sido explicados a fondo por la biología.
Con un abordaje original desde la física de lo complejo, Lorena Caballero Coronado, alumna doctoral de Germinal Cocho Gil, investigador emérito del Instituto de Física (IF) de la UNAM, ha desarrollado un modelo teórico que explica cómo esos patrones de color siguen principios físicos fundamentales, como la atracción-repulsión entre las células, y la tensión-comprensión del sistema en el que se desarrollan, el cual les da señales mecánicas precisas de los límites de una figura o un color.
Las células de pigmento embebidas en una matriz fibrosa durante el desarrollo embrionario, que inician la formación de manchas y diseños coloridos, siguen esos principios físicos básicos.
Un artículo sobre su indagación -parte de su tesis de doctorado, y que cuenta con datos de biología experimental en vertebrados- fue publicado en diciembre de 2012 en la revista Journal of Experimental Zoology
Al poco tiempo, Lorena recibió un correo electrónico de James Murray, matemático inglés, profesor emérito de las universidades de Oxford y de Washington, así como experto en biología matemática, quien describió su trabajo como “seminal” y “una contribución muy importante y emocionante en el campo de la formación de patrones biológicos”.
Bióloga egresada de la Facultad de Ciencias de esta casa de estudios, maestra, y pronto doctora en Ciencias Biológicas de la UNAM, Caballero Coronado obtendrá su grado con este estudio, que sostiene que, más allá de los patrones de color, es probable que los mecanismos físicos participen en otros sistemas y establezcan principios generales básicos de la morfogénesis, a partir de la interacción entre la dinámica celular y las interacciones mecánicas.
Epigenética y sistemas complejos
“Desde la tesis de licenciatura comencé a trabajar con sistemas complejos y su importancia en la biología. La de maestría la hice sobre morfogénesis y laboré con patrones para entender cómo los mecanismos físicos y algunos modelos matemáticos simples ayudan a entender ese proceso, y la doctoral es un trabajo más robusto sobre morfogénesis”, explicó la estudiante asociada del IF y al Centro de Ciencias de la Complejidad.
Los patrones en la naturaleza existen y “es algo que podemos comprobar con investigación, pues hay regularidades que se pueden modelar para entender mecanismos generales que vinculan lo físico y lo biológico”, comentó.
Los seres vivos somos materia, y hemos evolucionado a partir de ciertas restricciones o condiciones de la misma, de mecanismos básicos y eso es lo que busco, acotó.
El trabajo de la joven científica se inscribe dentro de la epigenética, rama que avanza la estructura y función de los genes para considerar también factores ambientales, fundamentales para analizar la estructura de los patrones en la naturaleza. “Por ejemplo, la interacción entre las células y los tejidos, y entre las primeras y el medio al que migran, son informaciones epigenéticas, pues no están descritas en la secuencia del ADN, pero son importantes para el establecimiento de los patrones”, precisó.
Restricciones físicas, origen de patrones
Los patrones se desarrollan a partir de restricciones físicas, como la minimización de energía. “Todos los sistemas vivos gastamos la menor energía posible, esto ha generado mecanismos que emergen de manera espontánea como la elasticidad, la atracción y la repulsión, porque cumplen esas condiciones físicas y facilitan algunos procesos”, explicó.
Las manchas de color son patrones que funcionan como las gotas de agua, pues como ellas, tienen fuerzas cohesivas que generan su estructura. La cohesión y la adhesión suceden en ambos casos, y es una analogía que se puede comprobar experimentalmente.
Los mecanismos de largo alcance también participan en el desarrollo de patrones. “Son los que hacen posible, por ejemplo, que un hígado que se regenera sepa hasta dónde hacerlo, pues hay un control de tamaño, aunque aún no sabemos a fondo cómo funciona”.
Las fuerzas mecánicas que ejercen las células generan tensión en los tejidos en donde se establecen, y eso deriva en mecanismos de largo alcance que pueden decir hasta donde llegar, y así formar un patrón. De ese modo establecen límites, por ejemplo, entre una mancha y otra, o entre un color y otro.
Base fibrosa
La formación de patrones de color en la epidermis inicia en una base fibrosa y visoelástica, llamada tejido mesenquimal (o mesénquima), implicado en la formación de otros tejidos, órganos cardiovasculares y vasos sanguíneos.
En el tejido mesenquimal las células que contienen pigmento migran y se adhieren, lo que provoca que se reorienten las fibras y deformen el tejido hasta formar líneas de tensión.
“Éstas se convierten en guías para la siguiente migración y acumulación de más células, lo que resulta en la expresión de patrones de color”, finalizó.
