Matemáticas de la vida: científicos desarrollan un modelo matemático del desarrollo embrionario

En un nuevo estudio publicado en e «Proceedings of the National Academy of Sciences», los científicos David Brückner y Gašper Tkačik del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) presentaron un modelo matemático que analiza el proceso de autoorganización característico del desarrollo embrionario de los mamíferos. Este modelo predice los parámetros óptimos para este tipo de interacción celular, lo que permite describir este proceso en un lenguaje matemático universal.

La autoorganización es la capacidad de un sistema para crear nuevas estructuras por sí mismo sin influencia externa, como se observa, por ejemplo, en bancos de peces o bandadas de pájaros. Durante el desarrollo embrionario, las células se comunican entre sí mediante señales químicas, lo que les permite coordinar sus acciones y definir sus funciones en el organismo, ya sean células oculares que captan estímulos visuales o células intestinales que ayudan a digerir alimentos.

Gracias a esta interacción, el proceso de desarrollo ocurre de manera sincrónica y coordinada, sin necesidad de un control centralizado. Cada célula responde a las señales de sus vecinas, lo que garantiza la autoorganización del colectivo celular. De esta manera, de una única célula huevo fertilizada se desarrolla un organismo multicelular.

David Brückner, postdoctorado NOMIS e investigador del ISTA, muestra interés en la comprensión teórica de los procesos de autoorganización. Sus investigaciones se centran en el desarrollo embrionario, un proceso complejo dirigido por la genética y la comunicación entre células. A pesar de los factores impredecibles que los físicos llaman «ruido», las estructuras embrionarias se forman de manera confiable y consecutiva.

Gašper Tkačik, profesor del ISTA, se especializa en el estudio del procesamiento de información en sistemas biológicos. Señala que la teoría de la información es un lenguaje universal para la evaluación cuantitativa de la estructura y regularidad en conjuntos estadísticos, que representan series de repetición del mismo proceso. El desarrollo embrionario se puede considerar como tal proceso, que reproduce de manera confiable organismos funcionales, muy similares pero no idénticos entre sí.

El nuevo modelo matemático permite medir cómo las interacciones celulares están optimizadas para contrarrestar el ruido. Mediante simulaciones computarizadas de células interactuantes, los científicos investigaron las condiciones bajo las cuales el sistema puede mantener un resultado final estable, a pesar de la introducción de fluctuaciones.

Aunque el modelo ya se ha aplicado con éxito a tres diferentes modelos de desarrollo basados en señales químicas y mecánicas, será necesario realizar más trabajo para aplicarlo a registros experimentales de sistemas en desarrollo.

En el futuro, los científicos planean estudiar modelos más complejos con más parámetros y medidas. «La evaluación cuantitativa de modelos más complejos nos permitirá aplicar nuestro modelo a patrones de señales químicas medidos experimentalmente en embriones en desarrollo», agrega Brückner.