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Enciclopedia Universo

Patrones de vida generados por pulsación aleatoria de genes en Cambridge Lab

Live Biofilm 12 Hour Intervals

Timelapse de biofilm en crecimiento

Lapso de tiempo de más de 60 horas que muestra la creciente biopelícula y el desarrollo del patrón. Crédito: Universidad de Cambridge.

Un equipo de científicos de Cambridge que trabaja en la intersección entre biología y computación descubrió que la actividad genética aleatoria ayuda a formar patrones durante el desarrollo de un modelo de sistema multicelular.

Todos comenzamos la vida como una sola célula, que se multiplica y se convierte en células especializadas que llevan a cabo diferentes funciones. Este complejo proceso se basa en controles precisos en el camino, pero estos nuevos hallazgos sugieren que los procesos aleatorios también contribuyen al diseño.

En una investigación publicada hoy (19 de febrero de 2020) en Comunicaciones de la naturaleza, los científicos del equipo de James Locke en el Laboratorio de Sainsbury de la Universidad de Cambridge y los colaboradores de Microsoft Research describen su descubrimiento de un orden sorprendente al azar mientras estudian biopelículas bacterianas.

Una biopelícula se desarrolla cuando las bacterias unicelulares de vida libre se adhieren a una superficie y se unen para comenzar a multiplicarse y extenderse por la superficie. Estas células individuales que se multiplican maduran para formar una estructura tridimensional que actúa como un organismo multicelular.

Y aunque las células individuales pueden sobrevivir por sí mismas, estas bacterias prefieren trabajar juntas con las biopelículas como la forma dominante que se encuentra en la naturaleza. El consorcio de biopelículas proporciona a las bacterias varias ventajas de supervivencia, como una mayor resistencia al estrés ambiental.

Biofilm en vivo Intervalos de 12 horas

Las fotos de la biopelícula en vivo tomadas a intervalos de 12 horas muestran el desarrollo del patrón de gradiente ruidoso en la expresión sigmaB durante 24 horas. Crédito: Universidad de Cambridge.

Los investigadores desarrollaron una nueva técnica de microscopía de lapso de tiempo para rastrear cómo se comportan las células individuales genéticamente idénticas a medida que se desarrolla la biopelícula viva.

El Dr. Eugene Nadezhdin, autor principal conjunto, dijo: “Observamos cómo las células deciden asumir roles particulares en la biopelícula. Descubrimos que hacia la superficie de la biopelícula había dos tipos de células diferentes con frecuencia presentes: células que forman esporas latentes y aquellas que siguen creciendo y activan respuestas protectoras al estrés. Estos dos tipos de células son mutuamente excluyentes, pero ambos podrían existir en la misma ubicación ".

Se centraron en obtener una imagen detallada de cómo cambia la expresión génica (si los genes están activos o inactivos) con el tiempo para los tipos de células individuales, específicamente en la expresión de un factor regulador, llamado sigmaB, que promueve las respuestas al estrés e inhibe la formación de esporas. Descubrieron que sigmaB se activa y desactiva aleatoriamente en las células a intervalos de una hora, generando un patrón visible de células esporuladas y protegidas contra el estrés a través de la biopelícula.

Para comprender las implicaciones de la pulsación, los investigadores generaron un modelo matemático de la respuesta al estrés controlada por sigmaB y los sistemas de esporulación.

Timelapse Tracking Cells SigmaB Pulsing

Las celdas de seguimiento de lapso de tiempo de más de 50 horas muestran pulsaciones SigmaB aleatorias sostenidas en la parte superior de la biopelícula. Crédito: Universidad de Cambridge.

El Dr. Niall Murphy, autor principal conjunto, dijo: “El modelado reveló que el pulso aleatorio significa que en cualquier momento solo una fracción de las células tendrá una alta actividad sigmaB y la activación de la vía del estrés, permitiendo que el resto de las células elijan para desarrollar esporas. Si bien el pulso es aleatorio, pudimos demostrar a través de un modelo matemático simple que el aumento de la expresión del gen crea patrones cambiantes entre las diferentes regiones de la biopelícula ”.

Los resultados demuestran cómo la pulsación aleatoria de la expresión génica puede desempeñar un papel clave en el establecimiento de estructuras espaciales durante el desarrollo de biopelículas.

El Dr. Locke dijo: “Esta aleatoriedad parece controlar la distribución de los estados celulares dentro de una población, en este caso una biopelícula. La información obtenida de este trabajo podría usarse para ayudar a diseñar circuitos genéticos sintéticos para generar patrones en sistemas multicelulares. En lugar de que los circuitos necesiten un mecanismo para controlar el destino de cada celda individualmente, el ruido podría usarse para distribuir aleatoriamente tareas alternativas entre las celdas vecinas ”.

Referencia: “La pulsación estocástica de la expresión génica permite la generación de patrones espaciales en Bacillus subtilis biopelículas ”por Eugene Nadezhdin, Niall Murphy, Neil Dalchau, Andrew Phillips y James C. W. Locke, 19 de febrero de 2020, Comunicaciones de la naturaleza.DOI: 10.1038 / s41467-020-14431-9