La quitina es el material del que se fabrican en última instancia las cerdas
Un nuevo estudio interdisciplinario dirigido por el biólogo molecular Florian Raible de los laboratorios Max Perutz de la Universidad de Viena proporciona interesante información sobre las cerdas del gusano marino anélido Platynereis dumerilii. Células especializadas, llamadas quetoblastos, controlan la formación de las cerdas. Su modo de funcionamiento es sorprendentemente similar al de una impresora 3D técnica.
El proyecto es una colaboración con investigadores de la Universidad de Helsinki, la Universidad Tecnológica de Viena y la Universidad Masaryk de Brno.
La quitina es el material de construcción principal tanto para el exoesqueleto de los insectos como para las cerdas de los gusanos de cerdas, como el gusano marino anélido Platynereis dumerilii. Sin embargo, los gusanos de cerdas tienen una quitina algo más blanda (beta quitina), que es particularmente interesante para aplicaciones biomédicas. Las cerdas permiten que los gusanos se muevan en el agua.
Hasta ahora sigue siendo un enigma cómo se forma exactamente la quitina en distintas cerdas. El nuevo estudio proporciona ahora una interesante visión de esta biogénesis especial.
Florian Raible explica: "El proceso comienza con la punta de las cerdas, seguido por la sección central y finalmente la base de las cerdas. Las piezas acabadas se empujan cada vez más fuera del cuerpo. En este proceso de desarrollo, las unidades funcionales importantes se crean una tras otra, pieza por pieza, lo cual es similar a la impresión 3D".
Imagen: Comparación entre impresión 3D "biológica" (izquierda) y "tecnológica" (derecha). Crédito: Claudia Amort, Estudio Amort
Una mejor comprensión de procesos como estos también tiene potencial para el desarrollo de futuros productos médicos o para la producción de materiales naturalmente degradables. La betaquitina, por ejemplo, procedente de la concha dorsal del calamar, se utiliza actualmente como materia prima para la producción de apósitos para heridas especialmente bien tolerados. "Quizás en el futuro también sea posible utilizar células de anélidos para producir este material", afirma Raible.
El trasfondo biológico exacto de esto: los quetoblastos desempeñan un papel central en este proceso. Los quetoblastos son células especializadas con largas estructuras superficiales, llamadas microvellosidades. Estas microvellosidades albergan una enzima específica que, según los investigadores, es responsable de la formación de quitina, el material del que se fabrican en última instancia las cerdas. Los resultados de los investigadores muestran una superficie celular dinámica caracterizada por microvellosidades dispuestas geométricamente.
Las microvellosidades individuales tienen una función similar a las boquillas de una impresora 3D. Florian Raible explica: "Nuestro análisis sugiere que la quitina es producida por las microvellosidades individuales de las células del quetoblasto. Por lo tanto, el cambio preciso en el número y la forma de estas microvellosidades a lo largo del tiempo es la clave para dar forma a las estructuras geométricas de las cerdas individuales, como los dientes individuales en la punta de las cerdas, que son precisos hasta el rango submicrométrico".
Las cerdas suelen desarrollarse en tan solo dos días y pueden tener diferentes formas. Dependiendo de la etapa de desarrollo del gusano, son más cortas o más largas, más puntiagudas o más planas.
Imagen: Diferentes segmentos de las cerdas del anélido marino Platynereis dumerilii. Reconstrucción 3D a partir de más de 1.000 micrografías electrónicas. Hoja (izquierda), hoja con articulación (centro), eje (derecha). Crédito: Ilya Belevich, Universidad de Helsinki
Además de la colaboración local con la Universidad Tecnológica de Viena y los especialistas en imágenes de la Universidad de Brno, la cooperación con el laboratorio Jokitalo de la Universidad de Helsinki resultó ser de gran beneficio para los investigadores de la Universidad de Viena.
Utilizando su experiencia en microscopía electrónica de barrido de caras de bloques en serie (SBF-SEM), los investigadores investigaron la disposición de las microvellosidades en el proceso de formación de cerdas y propusieron un modelo 3D para la síntesis de la formación de cerdas.
El primer autor, Kyojiro Ikeda, de la Universidad de Viena, explica: "La tomografía electrónica estándar requiere mucha mano de obra, ya que el corte de las muestras y su examen en el microscopio electrónico deben realizarse manualmente. Sin embargo, con este enfoque podemos automatizar de forma fiable el análisis de miles de capas".
Actualmente, el grupo Raible está trabajando para mejorar la resolución de la observación para revelar aún más detalles sobre la biogénesis de las cerdas.
El estudio se publica en Nature Communications: Dynamic microvilli sculpt bristles at nanometric scale