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SEVILLA 28 Sep. (EUROPA PRESS) -
Un estudio internacional y multidisciplinar liderado por el grupo de Mecanismos de Organización Tisular de la Universidad de Sevilla (US) y del Instituto de Biomedicina de Sevilla (IBiS), ha demostrado cómo ciertas leyes geométricas guían la organización celular al formar estructuras tridimensionales cerradas como los embriones de mamífero. "Igual que ocurre al coser un balón de fútbol o al construir algunos tipos de estructuras arquitectónicas como los domos geodésicos, es imposible cerrar una esfera sin pentágonos", ha explicado el coordinador del grupo de investigación, Luis M. Escudero.
Los epitelios actúan como la cubierta protectora que reviste la mayoría de los órganos animales y constituyen la estructura fundamental de órganos como el riñón o el intestino, según ha concretado la institución académica en una nota. Organizadas en capas de células estrechamente unidas, este tejido no solo garantiza una sólida función defensiva, sino que "permite moldear geometrías complejas como tubos, pliegues y cavidades".
En las etapas más tempranas del desarrollo embrionario de los animales, todas las células comparten este comportamiento epitelial. En estos estadios iniciales del embrión, el epitelio adopta una estructura "cerrada" --una especie de cápsula celular-- a partir de la cual comenzarán a crecer y diferenciarse los futuros órganos. Aunque este tipo de estructuras esferoidales aparecen en todos los animales, hasta ahora no se había profundizado en los mecanismos que permiten que este "diseño" sea tan generalizado.
En contexto, el dilema de cómo "cerrar" una superficie esférica no es solo biológico, es una cuestión arquitectónica, química y de geométrica universal. En el siglo XVIII, el matemático Leonhard Euler demostró que, al contrario de lo que sucede con los planos, una esfera no puede formarse utilizando solo hexágonos, necesita pentágonos para curvarse, de forma que quede completamente cerrada sin deformarse o dejar agujeros. Este es el principio matemático detrás del clásico diseño del balón de fútbol de hexágonos blancos y pentágonos negros.
Además, el mismo fenómeno también se ha descrito en sistemas naturales como son los fullerenos, unas moléculas compuestas por átomos de carbono que forman una especie de "jaula" hueca. Los átomos se distribuyen formando pentágonos y hexágonos.
El nuevo estudio muestra que los tejidos epiteliales siguen esta misma estrategia cuando forman una cápsula. Al analizar las superficies de estas estructuras los autores observaron que muchas de las células adquirían la forma de pentágono. Además, en las cápsulas epiteliales con menos células comprobaron que muchas muestras presentaban la misma combinación de número de polígonos.
Por tanto, pese a que la geometría admite multitud de combinaciones posibles para tapizar con polígonos la superficie del tejido, el catálogo biológico se reduce a un puñado de ellas. En suma, encontraron patrones de organización que se repetían. Así, la biología optimiza su arquitectura mediante reglas que se repiten a diferentes escalas en la naturaleza, desde los átomos de carbono hasta los tejidos vivos. Esta organización permite alcanzar la máxima estabilidad física con el mínimo gasto energético.
El trabajo investiga cómo influye el tamaño del tejido en la organización de estas estructuras. Para entenderlo de forma matemática, si cubriéramos la Tierra utilizando parches del mismo tamaño que los de un balón de fútbol, el porcentaje de pentágonos necesarios respecto al total del planeta sería infinitamente pequeño.
Sin embargo, según ha detallado la institución académica, en el típico balón de futbol, muchísimo más pequeño, el porcentaje de pentágonos es muy alto con respecto al número de polígonos total. En el trabajo se han utilizado tejidos epiteliales con forma de "cápsula hueca". Son los denominados cistos y son un sistema experimental muy utilizado en biomedicina, puesto que reproducen algunas de las estructuras básicas que aparecen dentro de nuestros órganos. En cistos muy pequeños, la pronunciada curvatura obliga a que muchas de las células adopten forma de pentágono para sellar la cubierta. A medida que el tejido crece y suma más células, la curvatura disminuye y la mayoría de la superficie pasa a estar cubierta por hexágonos.
Juntando los datos reales con experimentos computacionales se llegó a la conclusión de que los tejidos favorecen las combinaciones de polígonos que maximizan la relación entre el área y el perímetro de cada célula. Además, es muy relevante que los investigadores obtuvieron resultados muy similares cuando analizaron embriones de ratón de ocho y de 16 células, puesto que indica que los resultados no solo aparecen en cultivo, sino también en la naturaleza.
"En nuestro laboratorio hemos descubierto que un tejido epitelial sigue esas 'reglas' cuando forma una cápsula. En 2016 nuestro grupo demostró que el empaquetamiento epitelial dependía de que las células empujaran unas a otras con 'la misma fuerza', la misma turgencia; y en 2026, comprobamos que al 'cerrarse' un tejido en 3D la curvatura impone la presencia de un alto porcentaje de pentágonos en la estructura biológica", ha apostillado Escudero.
Bajo este contexto, para comprobar la solidez del descubrimiento, el equipo realizó varios experimentos en los que alteró las propiedades biológicas del tejido, frenando por ejemplo la multiplicación celular o reduciendo la tensión entre las células. A pesar de estas alteraciones, la proporción de pentágonos necesaria para que el tejido logre cerrarse se mantuvo intacta, coincidiendo exactamente con las predicciones de los modelos matemáticos teóricos, que no tienen en cuenta ningún factor biológico.
"Comprobar que los patrones que siguen las células al organizarse no se alteran al cambiar la tensión ni al frenar el crecimiento fue muy importante", ha destacado una de las primeras autoras del trabajo, Laura Morato. "Demuestra que las reglas geométricas que dirigen el cierre del tejido actúan como un escudo protector inalterable que garantiza que la arquitectura del embrión o del órgano se mantenga estable ante perturbaciones del entorno".
Sobre esto, Jesús A. Andrés San Román, el otro primer autor del estudio, ha comentado que "nuestros modelos computacionales basados solo en reglas geométricas eran capaces de predecir el comportamiento biológico de cistos y embriones. Esto apoyó definitivamente que las mismas restricciones que tiene un balón de fútbol se estaban aplicando a estas cápsulas biológicas".
A medio y largo plazo, comprender estas reglas geométricas sienta las bases para explorar aplicaciones prácticas en la ingeniería de tejidos y la biomedicina. Por un lado, este marco teórico podría servir para optimizar el diseño de cultivos tridimensionales y organoides, ayudando a generar modelos más estables y reproducibles para el ensayo de fármacos.
Este hito ha sido posible gracias a la integración de técnicas de biología celular con modelos matemáticos complejos y simulaciones computacionales. El laboratorio que coordina Luis M. Escudero en la US y el IBiS, domina estas disciplinas gracias a los investigadores que forman el grupo, como Laura Morato y Jesús A. Andrés-San Román, los dos primeros autores, y los expertos en Biología Celular, Valentina Annese, y en Biología Computacional, Pedro J. Gómez-Gálvez, que son los autores senior junto a Luis M. Escudero. Además, cabe destacar la colaboración de Kate McDole, del MRC Laboratory of Molecular Biology (Cambridge, Reino Unido), experta en el desarrollo embrionario temprano de los mamíferos.
