Brillan como una bombilla navideña bajo una luz fluorescente
Consideremos el erizo de mar. Específicamente, el erizo bordado: Lytechinus pictus, una espinosa pelota de ping-pong del Océano Pacífico oriental.
La especie es prima más pequeña y de espinas más cortas de los erizos morados que devoran los bosques de algas. Producen cantidades masivas de espermatozoides y óvulos que se fertilizan fuera de sus cuerpos, lo que permite a los científicos observar el proceso de creación de erizos de cerca y a escala.
Una generación da origen a la siguiente en cuatro a seis meses. Comparten más material genético con los humanos que las moscas de la fruta y no pueden volar; en resumen, un animal de laboratorio ideal para un biólogo del desarrollo.
Los científicos llevan aproximadamente 150 años utilizando erizos de mar para estudiar el desarrollo celular. A pesar del estatus de los erizos como superreproductores, las preocupaciones prácticas a menudo obligan a los científicos a centrar su trabajo en animales más fácilmente accesibles: ratones, moscas de la fruta, gusanos.
Los científicos que trabajan con ratones, por ejemplo, pueden pedir en línea animales con las propiedades genéticas específicas que esperan estudiar: animales transgénicos, cuyos genes han sido modificados artificialmente para expresar o reprimir ciertos rasgos.
Los investigadores que trabajan con erizos normalmente tienen que pasar parte del año recogiéndolos del océano.
"¿Te imaginas si los investigadores de ratones estuvieran colocando una trampa para ratones todas las noches y lo que atraparan fuera lo que estudiaran?", dijo Amro Hamdoun, profesor del Instituto de Oceanografía Scripps de la UC San Diego.
Los invertebrados marinos representan alrededor del 40% de la diversidad biológica del mundo animal, pero aparecen en una escasa fracción de un porcentaje de los estudios basados en animales. ¿Qué pasaría si los investigadores pudieran acceder a los erizos de mar tan fácilmente como los ratones? ¿Y si fuera posible crear y criar líneas de erizos transgénicos?
Imagen: Amro Hamdoun, profesor de la UC San Diego, sostiene un erizo bordado. Su progreso al crear estas criaturas podría conducir a avances en la ciencia y la medicina.
¿Cuánto más podríamos aprender sobre cómo funciona la vida?
"¿Sabes que durante la pandemia todo el mundo hacía masa madre? No soy bueno haciendo masa madre", dijo recientemente Hamdoun en su oficina en Hubbs Hall de Scripps. En cambio, puso su mirada en un proyecto de otro tipo: un nuevo animal transgénico de laboratorio, "una mosca de la fruta del mar".
En marzo, el laboratorio de Hamdoun publicó un artículo en el servidor de preimpresión bioRxiv que demuestra la inserción exitosa de un fragmento de ADN extraño (específicamente, una proteína fluorescente de una medusa) en el genoma de un erizo bordado que transmitió el cambio a su descendencia.
El resultado es el primer erizo de mar transgénico, uno que brilla como una bombilla navideña bajo una luz fluorescente. (El artículo ha sido enviado para revisión por pares).
Los animales son los primeros equinodermos transgénicos, el filo que incluye estrellas de mar, pepinos de mar y otros animales marinos. La misión de Hamdoun es hacer que los erizos genéticamente modificados estén disponibles para los investigadores en cualquier lugar, no sólo para aquellos que trabajan en instalaciones de investigación en la orilla del Océano Pacífico.
Imagen derecha: La expresión transgénica en animales F1 es ubicua en todo el cuerpo. Imágenes en vivo de nueve juveniles F1 únicos. Las filas superior e intermedia son la vista aboral y la fila inferior es la vista oral. Los juveniles se tiñeron con membrana plasmática CellMask de color naranja para crear contraste con la señal nuclear de CFP. Crédito: bioRxiv (2024). DOI: 10.1101/2024.03.26.586777
"Si nos fijamos en algunos de los otros organismos modelo, como Drosophila [moscas de la fruta], pez cebra y ratón, hay centros de recursos bien establecidos", dijo Elliot Jackson, investigador postdoctoral en Scripps y autor principal del artículo. "Si quieres una línea transgénica que etiquete el sistema nervioso, probablemente puedas conseguirla. Podrías pedirla. Y es lo que esperamos poder hacer con erizos de mar".
Ser capaz de modificar genéticamente un animal potencia lo que los científicos pueden aprender de él, con implicaciones que van mucho más allá de cualquier especie individual.
"Transformará a los erizos de mar como modelo para comprender la neurobiología, la biología del desarrollo y la toxicología", dijo Christopher Lowe, profesor de biología de Stanford que no participó en la investigación.
El avance del laboratorio, y su enfoque en hacer que los animales estén disponibles gratuitamente para otros científicos, "nos permitirá explorar cómo ha resuelto la evolución muchos problemas de la vida realmente complicados", dijo.
Los investigadores tienden a estudiar ratones, moscas y similares no porque la biología de los animales sea la más adecuada para responder a sus preguntas, sino porque "todas las herramientas necesarias para responder a sus preguntas se construyeron en unas pocas especies", dijo Deirdre Lyons, profesor asociado de biología en Scripps que trabajó con Hamdoun en las primeras investigaciones relacionadas con el proyecto.
Ampliar la gama de animales disponibles para sofisticados trabajos de laboratorio es como agregar colores a la paleta de un artista, dijo Lyons: "Ahora puedes obtener el color que realmente deseas, el que mejor se adapte a tu visión, en lugar de quedarte estancado con unos pocos modelos".
En la planta baja del edificio de oficinas de Hamdoun se encuentra el acuario experimental Hubbs Hall, un espacio parecido a un garaje repleto de tanques llenos de agua de mar en recirculación y una variada variedad de vida marina.
En una visita reciente, Hamdoun metió la mano en un tanque y suavemente sacó a un erizo bordado. Se deslizó con sorprendente velocidad sobre una palma extendida, como si explorara un terreno extraño.
Imagen: Los erizos bordados y los humanos viven vidas muy diferentes, pero genéticamente son bastante similares.
El último ancestro común de L. pictus y Homo sapiens vivió hace al menos 550 millones de años. A pesar de los diferentes caminos evolutivos que hemos recorrido desde entonces, nuestros genomas revelan una herencia biológica compartida.
Las instrucciones genéticas que impulsan la transformación de un único cigoto en un cuerpo vivo son sorprendentemente similares en nuestras dos especies. Los sistemas especializados se diferencian de un único óvulo fertilizado y de la traducción de un revoltijo de proteínas en un ser vivo singular; a nivel celular, todo eso ocurre de manera muy similar para los erizos y las personas.
Estos animales son "realmente fundamentales para nuestra comprensión de toda la vida", dijo Hamdoun, volviendo a colocar al erizo en su tanque. "E históricamente, genéticamente muy inaccesible".
El acuario experimental se construyó en la década de 1970, cuando extraer vida del mar era la única forma de adquirir especímenes para investigación. Unos pisos más arriba, en Hubbs Hall, Hamdoun abrió el camino hacia el vivero de erizos: el primer esfuerzo a gran escala para criar en un laboratorio sucesivas generaciones de animales. En un momento dado, el equipo tiene entre 1.000 y 2.000 erizos de mar en distintas etapas de desarrollo.
Fila tras fila de diminutos tanques de plástico se alinean contra una pared, cada uno de los cuales contiene un erizo juvenil del tamaño de una lenteja. Una tira de cinta adhesiva en cada tanque señala la modificación genética del animal y la fecha de fertilización. En algunos, un segundo trozo de cinta indica animales que tenían la modificación en el ADN de sus células sexuales, lo que significa que podría transmitirse a la descendencia. (Por esta razón, el laboratorio mantiene a sus erizos escrupulosamente separados de la población salvaje).
Imagen: Hamdoun señala los erizos de mar transgénicos que su laboratorio está criando en Scripps.
"Una de las grandes preguntas en toda la biología es comprender cómo la serie de instrucciones en el genoma te proporciona cualquier fenotipo que quieras estudiar", dijo Hamdoun, básicamente, cómo la cadena de aminoácidos que constituye el código genético de un animal da origen a las características de la criatura viviente que respira. "Una de las cosas fundamentales que hay que hacer es poder modificar ese genoma y luego estudiar cuál es el resultado".
Señaló un tanque que contenía un diminuto erizo de cuyo código genético se había extraído la proteína ABCD1.
ABCD1 actúa como un portero, explicó Hamdoun, estacionándose a lo largo de la membrana celular y expulsando moléculas extrañas. La acción de la proteína puede preservar la célula de sustancias nocivas, pero a veces puede ir en contra del mejor interés del organismo, como cuando impide que la célula absorba un medicamento necesario.
Los investigadores que utilizan erizos en los que esa proteína ya no funciona pueden estudiar el movimiento de una molécula a través de un organismo (el DDT, por ejemplo) y medir cuánta sustancia termina en la célula sin la confusa interferencia del ABCD1. Pueden realizar ingeniería inversa sobre el papel que desempeña ABCD1 en la prevención de que una célula absorba un fármaco.
Y luego están los erizos fluorescentes.
"La magia sucede en esta sala", dijo Jackson, entrando a una estrecha oficina con microscopios valorados en un millón de dólares en un extremo y una centrifugadora manual de décadas de antigüedad atornillada a una mesa en el otro.
Colocó bajo un microscopio una placa de Petri que contenía tres erizos transgénicos del tamaño de un borrador de lápiz. Con 120 veces su tamaño, cada uno parecía la bola de Nochevieja de Times Square cobrada vida: una criatura brillante y ondulante de simetría radial pentámera.
Imagen: Un profesor de biología dijo que el trabajo de Scripps transformará a los erizos de mar como modelo para la investigación.
La fluorescencia no es sólo un truco festivo de los equinodermos. Iluminar las células facilita a los investigadores seguir su movimiento en un organismo en desarrollo. Los investigadores pueden observar cómo las primeras células de una blástula se dividen y reorganizan en tejido nervioso o cardíaco. Con el tiempo, los científicos podrán desactivar genes individuales y ver cómo eso afecta el desarrollo. Les ayudará a comprender cómo se desarrolla nuestra propia especie y por qué ese desarrollo no siempre se desarrolla según lo planeado.
El laboratorio "ha hecho un gran trabajo. Ha sido realmente bien recibido por la comunidad", dijo Marko Horb, científico senior y director del National Xenopus Resource en el Laboratorio de Biología Marina de la Universidad de Chicago.
Horb dirige el centro nacional de intercambio de información sobre especies genéticamente modificadas de Xenopus, una rana con garras utilizada en investigaciones de laboratorio. El centro desarrolla líneas de ranas transgénicas para uso científico y las distribuye a los investigadores.
Hamdoun imagina un centro de recursos similar para los erizos de su laboratorio. Ya han comenzado a enviar pequeños viales de esperma de erizo transgénico a los científicos interesados, quienes pueden cultivar erizos a medida con óvulos adquiridos en el laboratorio de Hamdoun o de otra fuente.
Hamdoun recuerda vívidamente el tiempo que pasó al principio de su carrera tratando de rastrear fragmentos aleatorios de ADN necesarios para su investigación, la decepción y frustración de escribir a profesores y ex posdoctorados solo para descubrir que el material se había perdido hacía mucho tiempo. Preferiría que las futuras generaciones de científicos dedicaran su tiempo al descubrimiento.
"La biología es realmente interesante", dijo. "Cuanta más gente pueda acceder a ella, más aprenderemos".
La investigación se puede leer en inglés en bioRxiv: Stable germline transgenesis using theMinosTc1/marinerelement in the sea urchin,Lytechinus pictus