Los superpoderes de las criaturas marinas inspiran biomateriales inteligentes para la salud humana
Importantes hallazgos sobre el funcionamiento interno de la capacidad de una estrella frágil para controlar reversiblemente la flexibilidad de sus tejidos ayudarán a los investigadores a resolver el rompecabezas del tejido colágeno mutable (MCT por sus singlas en inglés) y potencialmente inspirarán nuevos biomateriales "inteligentes" para aplicaciones en la salud humana.
El trabajo está dirigido por Denis Jacob Machado, profesor adjunto de Bioinformática en el Centro de Inteligencia Computacional para Predecir Riesgos Ambientales y de Salud (CIPHER) de la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte, y Vladimir Mashanov, científico del Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa.
En un nuevo estudio, los investigadores describen el uso de microscopía electrónica de transmisión (TEM) avanzada, secuenciación de ARN y otros métodos bioinformáticos para identificar 16 posibles genes moduladores de MCT. Esta investigación supone un gran avance para comprender con precisión cómo los equinodermos transforman de forma rápida y drástica su tejido colágeno. La primera autora del artículo, Reyhaneh Nouri, es estudiante de doctorado en el Departamento de Bioinformática y Genómica de la UNC Charlotte.
"Estamos descubriendo las instrucciones precisas que el ADN envía a la célula: qué dice, cuándo lo dice y en qué cantidades. Piense en el ADN como el capitán de un barco, que da órdenes para navegar y operar sin problemas. EL ARN es la tripulación, que recibe diligentemente esas órdenes y las lleva a cabo para garantizar que se cumpla la misión del barco. Estamos observando lo que hace la tripulación y aprendiendo de su arduo trabajo", explicó Jacob Machado.
Esta avanzada investigación para identificar relevantes procesos moleculares en un equinodermo podría eventualmente abrir nuevas puertas para terapias regenerativas en humanos.
Los equinodermos, como las estrellas frágilesestrellas frágiles (un primo de las estrellas de mar y los dólares de arena) y los pepinos de mar, poseen notables capacidades para adaptar sus tejidos corporales en respuesta a factores estresantes y condiciones que cambian rápidamente, incluido el desprendimiento de porciones significativas de su cuerpo para escapar de la depredación u otras situaciones peligrosas.
Algunas especies de estrellas frágiles son particularmente adecuadas para proporcionar a los investigadores un caso de prueba viable para aislar los genes moduladores de MCT, que son las instrucciones moleculares específicas que determinan las modificaciones tisulares emergentes.
Imagen: Individuos de Ophiomastix wendtii, de los cuales se recogieron muestras de tejido. El animal 1 es macho y los animales 2 y 3 son hembras.
Los nuevos hallazgos pretenden dar forma al futuro desarrollo de biomateriales inteligentes y dinámicos basados en colágeno para tratar problemas de salud humanos, como ayudar a curar heridas más rápido o proporcionar materiales alternativos para la regeneración de tejidos que no provoquen el rechazo inmunológico.
Jacob Machado y sus colegas de la UNC Charlotte ya tienen pendiente una patente provisional sobre los componentes básicos de lo que se consideraría un biomaterial revolucionario basado en colágeno, que será desarrollado por la industria. Aun así, quedan por delante varias etapas clave de investigación.
"Todo comienza cuando te atreves a mirar algo completamente nuevo sin saber si va a funcionar o no", dijo Jacob Machado.
La investigación publicada examina una clara relación genómica entre las células yuxtaligamentosas de la estrella frágil (JLC) y la modulación colágena reversible, identificando 16 genes diferentes que representan un gran —y emocionante— "signo de interrogación", dijo Jacob Machado.
En próximas investigaciones, que utilizarán técnicas como la hibridación in situ (ISH) y la interferencia de ARN (RNAi) para "cazar" estos genes, Jacob Machado dijo que el equipo puede estudiar "qué les sucede a los equinodermos una vez que se desactivan algunos de esos genes".
Este proceso de detección y eliminación genómica permitirá al equipo determinar si los supuestos genes MCT "están involucrados en funcionalidades específicas en tejidos colágenos mutables", según Jacob Machado, quien espera que la siguiente etapa de investigación se complete durante el próximo año y medio.
Camino hacia una nueva matriz de colágeno y un biomaterial
La investigación hasta el momento, dice Jacob Machado, fusiona la experiencia multidisciplinaria con la creatividad y la bioinformática avanzada. Jacob Machado atribuye el mérito al trabajo de expertos íntimamente familiarizados con la bioinformática y la biología de los equinodermos, que colaboraron con un equipo "extremadamente capaz" que opera microscopios electrónicos de transición, formando un enfoque de equipo imaginativo para los "diseños experimentales" para analizar el ARN.
Los investigadores escriben que "el estudio es el primer intento de descubrir nuevos genes específicos del MCT del equinodermo utilizando secuenciación de última generación, expresión genética diferencial y enfoques de anotación".
Imagen: Dos tipos de muestras de tejido extraídas del brazo. A) "Segmentos completos del brazo" con todos los componentes anatómicos intactos. B) "Núcleo interno del brazo" con las placas periféricas del brazo y las estructuras asociadas removidas. El lado oral se muestra para ambos especímenes en A y B. C) Diagrama de la sección transversal del brazo.
A diferencia de los humanos o los ratones, las estrellas frágiles presentan barreras únicas para la investigación porque se las considera "organismos no modelo", según Jacob Machado, lo que significa que están mucho menos estudiadas que los ratones o los humanos y no tienen los mismos protocolos. Aun así, la anatomía de la estrella frágil proporcionó al equipo ángulos creativos para puntos de comparación para establecer regiones de tejido de control contra aquellas con propiedades regenerativas anticipadas en células yuxtaligamentosas.
Dado que la genómica de las estrellas frágiles carece de la misma gama disponible de protocolos experimentales que los ratones y otras especies, el equipo de investigación ha delineado vías significativas para la exploración futura utilizando ISH y RNAi para identificar y concentrarse en los genes que controlan el MCT. Jacob Machado tiene la esperanza de que esta orientación genética sea el catalizador para un prototipo que impulse futuras aplicaciones biomédicas humanas transformadoras.
Jacob Machado imagina este material como una "matriz de colágeno que puede cambiar su flexibilidad para volverse tan blanda o rígida como queramos". La utilidad de este biomaterial en el campo médico podría ser ilimitada, ya que podría servir como base para un pegamento quirúrgico de respuesta rápida para el personal militar o funcionar como un "origami gelatinoso" -por utilizar la expresión de Jacob Machado- en lugar de los stents tradicionales y medidas similares para abordar bloqueos.
"Confirmar el papel de los genes candidatos identificados en el control de la resistencia a la tracción del MCT abrirá una amplia gama de nuevas posibilidades tanto para la biología fundamental como para la biomedicina", escribió el equipo de investigación en el artículo.
Los futuros estudios, dice el equipo, iluminarán aún más "la evolución y los mecanismos moleculares del MCT del equinodermo". Esta comprensión más profunda podría ser el catalizador de futuros avances en la investigación al informar "el diseño de nuevos biomateriales basados en colágeno con propiedades mecánicas dinámicas y ajustables para la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa".
El estudio se ha publicado en BMC Genomics: Unveiling putative modulators of mutable collagenous tissue in the brittle star Ophiomastix wendtii: an RNA-Seq analysis
