¿Cómo toman su forma los peces?

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pez ballesta

Esculpir el músculo del pez requiere información genética y mecánica

Los diversos colores, formas y patrones de peces son cautivadores. A pesar de tanta diversidad, una característica general que podemos observar en peces como el salmón o el atún una vez que se sirven en un plato como el sushi, son los distintos patrones de 'V' en su carne.

Si bien esto parece observarse genéticamente en la disposición muscular de la mayoría de las especies de peces, es desconcertante la forma en que surge un patrón genérico de 'V'.

Un equipo de investigadores del Instituto de Mecanobiología (MBI) de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) investigó la ciencia detrás de la formación de los patrones 'V', también conocidos como patrones de chevron, en los músculos de los peces que nadan. El estudio se centró en el miotoma (un grupo de músculos servidos por una raíz nerviosa espinal) que constituye la mayor parte del cuerpo del pez.

Estos músculos de los peces potencian el movimiento de natación de lado a lado del pez y se cree que el patrón de chevron aumenta la eficiencia de la natación. El equipo de investigación descubrió que estos patrones no surgen simplemente de la instrucción genética o las vías bioquímicas, sino que en realidad requieren fuerzas físicas para desarrollarse correctamente.

patrones de chevron

La fricción y el estrés se combinan para dar forma a los patrones del músculo de los peces

El patrón de chevron no es exclusivo del salmón y el atún; también está presente en otras especies de peces como el pez cebra, así como en algunas especies de anfibios como las salamandras y las ranas durante el desarrollo. La forma de 'V' aparece por primera vez en los somitas, los bloques de construcción precursores del miotomo, que forma los músculos esqueléticos. Los somitas generalmente se forman durante los primeros días de desarrollo de peces o morfogénesis.

Un equipo de científicos dirigido por el becario postdoctoral del MBI, el Dr. Sham Tlili, y el profesor asistente de investigación principal, Timothy Saunders, estudiaron la formación de chevrones en el miotomo de los embriones de pez cebra. Inicialmente, cada segmento miotómico en desarrollo futuro tiene forma cuboidal. Sin embargo, en el transcurso de cinco horas, se deforma en forma de 'V' puntiaguda.

Para descubrir cómo se produce realmente esta deformación, el equipo adoptó una combinación de diferentes técnicas: imágenes del desarrollo del miotoma del pez cebra en resolución de una sola célula; análisis cuantitativo de los datos de imágenes; y ajustando los datos cuantitativos en modelos biofísicos.

Con base en los hallazgos de sus estudios experimentales y teóricos, los científicos del MBI identificaron ciertos mecanismos físicos que pensaron que podrían estar guiando la formación de chevron durante el desarrollo de los peces.

patrones de chevron en el miotoma

Imagen: La arquitectura de chevron del futuro miotoma emerge temprano después de la segmentación del mesodermo presomítico.

En primer lugar, los miotomas en desarrollo están físicamente conectados a otros tejidos embrionarios como el tubo neural, el notocordio, la piel y los tejidos ventrales. La fuerza de su conexión con estos diferentes tejidos varía en diferentes momentos de la formación de miotomas y, en consecuencia, se generan diferentes cantidades de fricción a través del tejido.

Efectivamente, las regiones laterales del miotoma en desarrollo están bajo mayor fricción que la región central. A medida que nuevos segmentos empujan el miotomo hacia adelante, esto lleva a la formación en el tejido miotómico de una forma de 'U' poco profunda.

En segundo lugar, las células en el futuro miotomo comienzan a alargarse a medida que forman fibras musculares. El equipo de investigación reveló que este proceso de transformación genera una fuerza activa y no uniforme a lo largo de ciertas direcciones dentro del tejido somita, lo que da como resultado que la forma de 'U' se agudice en el característico chevron en forma de 'V'. Por último, los reordenamientos celulares orientados en el futuro miotomo ayudan a estabilizar la forma de chevron recién adquirida.

simulación de patrones de chevron

Imagen: Una simulación por computadora de la formación de chevron. Nuevas células llegan progresivamente desde la cola a la derecha. Debido a la fricción diferencial con los tejidos vecinos, cada segmento de células se deforma en forma de "U", que luego se agudiza por el estrés activo en un patrón en forma de "V".

Descifrando los patrones que guían la formación de órganos

Asst Prof Saunders, un físico teórico que aplica principios físicos para caracterizar los procesos biológicos que tienen lugar durante el desarrollo, dijo: "Este trabajo revela cómo una interacción cuidadosamente equilibrada entre la morfología celular y las interacciones mecánicas puede impulsar la aparición de formas complejas durante el desarrollo. Estamos emocionados de ver si los principios que hemos revelado también están actuando en la conformación de otros órganos".

Es común atribuir cualquier cosa 'relacionada con la apariencia' a la genética de un organismo. A través de este estudio, los científicos del MBI muestran cómo las fuerzas biofísicas que varían temporal y espacialmente juegan un papel en la determinación de la forma de un organismo.

Los hallazgos del estudio se publicaron en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences de los Estados Unidos de América el 26 de noviembre de 2019: Shaping the zebrafish myotome by intertissue friction and active stress

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