Durante siglos, los naturalistas se han preguntado qué podría constituir la cabeza de una estrella de mar. Cuando se observa un gusano o un pez, está claro qué extremo es la cabeza y cuál la cola. Pero con sus cinco brazos idénticos -cualquiera de los cuales puede tomar la iniciativa de propulsar a las estrellas de mar por el fondo marino-, nadie sabe cómo distinguir la parte delantera del organismo de la trasera. Esta inusual estructura corporal ha llevado a muchos a la conclusión de que las estrellas de mar tal vez no tengan cabeza.

Pero ahora, laboratorios de la Universidad de Stanford y de la Universidad de Berkeley, cada uno dirigido por investigadores del Chan Zuckerberg Biohub San Francisco, han publicado un estudio en el que descubren que la verdad está más cerca de lo contrario. En resumen, mientras que el equipo detectó firmas genéticas asociadas con el desarrollo de la cabeza en casi todos los juveniles de estrellas de mar, la expresión de los genes que codifican las secciones del torso y la cola del animal estaban ausentes en gran medida.

Otro hallazgo sorprendente es que las firmas moleculares típicamente asociadas a la parte más frontal de la cabeza se localizaban en el centro de cada uno de los brazos de la estrella de mar, y estas firmas se hacían progresivamente más posteriores hacia los bordes de los brazos.

La investigación, publicada en Nature, sugiere que, lejos de carecer de cabeza, con el paso del tiempo las estrellas de mar perdieron su cuerpo para convertirse sólo en cabezas.

La inusual simetría de cinco ejes de las estrellas de mar (Patiria miniata) ha confundido durante mucho tiempo nuestra comprensión de la evolución animal | foto Laurent Formery

Es como si a la estrella de mar le faltara por completo el tronco y se describiera mejor como una cabeza que se arrastra por el fondo marino, explica Laurent Formery, becario postdoctoral financiado por el Biohub y autor principal del nuevo estudio. No es en absoluto lo que los científicos han supuesto sobre estos animales.

Dos de los tres coautores principales del estudio, el biólogo marino y del desarrollo Christopher Lowe, de la Universidad de Stanford, y Daniel Rokhsar, de la UC Berkeley, experto en la evolución molecular de las especies animales, llevan colaborando una década y formaban parte de un equipo financiado por los Premios de Investigación Intercampus del CZ Biohub SF. Lowe citó el premio, que ha financiado un puesto de becario postdoctoral conjunto entre ambos laboratorios para Formery, como un importante catalizador del nuevo descubrimiento.

El trabajo que nos propusimos hacer juntos era muy ambicioso y el tipo de cosa que generalmente no se lleva muy bien con los mecanismos de financiación tradicionales, dijo Lowe. La disposición del Biohub a asumir riesgos y prestar apoyo a una posición conjunta entre nuestros laboratorios ha sido fundamental para el éxito de este proyecto.

Un rompecabezas en forma de estrella

Casi todos los animales, incluidos los humanos, tienen simetría bilateral, lo que significa que pueden dividirse en dos mitades reflejadas a lo largo de un único eje que va desde la cabeza hasta la cola. En 1995 se concedió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina a tres científicos que habían utilizado moscas de la fruta para demostrar que el plan corporal bilateral, de cabeza a cola, que se observa en la mayoría de los animales surge de la acción de una serie de interruptores moleculares, codificados por genes, que se expresan en regiones definidas de la cabeza y el tronco.

Desde entonces, los investigadores han confirmado que esta misma programación genética es compartida por la inmensa mayoría de las especies animales, incluidos vertebrados como los humanos y los peces, y en muchos invertebrados como insectos y gusanos.

Pero el plan corporal de las estrellas de mar ha confundido durante mucho tiempo a los científicos en su comprensión de la evolución animal. En lugar de mostrar una simetría bilateral, las estrellas de mar adultas -y otros equinodermos afines, como los erizos y los pepinos de mar- tienen un eje de simetría quíntuple sin cabeza ni cola claras. Y nadie ha sido capaz de determinar cómo la programación genética impulsa esta inusual simetría quíntuple.

Micro-TC de una estrella de mar que muestra el esqueleto (gris), el sistema digestivo (amarillo), el sistema nervioso (azul), los músculos (rojo) y el sistema vascular acuático (morado) | foto Universidad de Southampton

Algunos científicos han propuesto que, en las estrellas de mar, el eje cabeza-cola podría extenderse desde la espalda acorazada del animal hasta su vientre, alfombrado de los llamados pies tubulares. Otros han sugerido que cada uno de los cinco brazos de la estrella de mar corresponde a una copia del eje cabeza-cola convencional.

Sin embargo, los esfuerzos por confirmar definitivamente estas hipótesis se han visto dificultados en gran medida por el hecho de que los métodos para detectar la expresión génica, desarrollados principalmente en un pequeño número de organismos modelo como ratones y moscas, no funcionan bien en el tejido de las estrellas de mar jóvenes.

Durante años, Lowe y sus colegas han querido aportar información genética a esta cuestión trazando un mapa de la actividad genética en las estrellas de mar en desarrollo. Pero sin las complejas herramientas genéticas desarrolladas a lo largo de décadas de investigación que existen para los organismos modelo típicos, un análisis tan exhaustivo resultaba desalentador.

Tecnología revolucionaria

Lowe encontró una solución a este problema en una de las reuniones periódicas de San Francisco de Biohub Investigators, donde otro investigador le sugirió que se pusiera en contacto con PacBio, una empresa de Silicon Valley que fabrica dispositivos de secuenciación genómica. Durante los cinco años anteriores, PacBio había estado perfeccionando una técnica para secuenciar cantidades masivas de material genético utilizando chips del tamaño de sellos postales repletos de millones de reactores químicos individuales, cada uno preparado para leer simultáneamente largos tramos de ADN capturado en su interior.

A diferencia de la secuenciación tradicional, que requiere cortar el material genético en trozos pequeños para garantizar la precisión, el método de PacBio, denominado secuenciación HiFi, puede extraer datos muy precisos de cadenas de ADN intactas y del tamaño de un gen, lo que hace que el proceso sea mucho más rápido y barato. Era exactamente lo que Lowe y su equipo necesitaban para establecer un proceso de estudio de la genética de las estrellas de mar desde cero.

El tipo de secuenciación que habría llevado meses puede hacerse ahora en cuestión de horas, y es cientos de veces más barato que hace sólo cinco años, afirma David Rank, también coautor principal del nuevo estudio y antiguo becario científico de PacBio. Estos avances nos permitieron empezar esencialmente desde cero en un organismo que no suele estudiarse en el laboratorio y elaborar el tipo de estudio detallado que habría sido imposible hace 10 años.

Micro-TC de una estrella de mar que muestra el esqueleto (gris), el sistema digestivo (amarillo), el sistema nervioso (azul), los músculos (rojo) y el sistema vascular acuático (morado) | foto Universidad de Southampton

Esta tecnología permitió a los investigadores secuenciar los genomas de las estrellas de mar y emplear un método denominado transcriptómica espacial, mediante el cual pudieron determinar qué genes de las estrellas de mar están activos en lugares precisos del organismo. Para buscar patrones que indicaran un eje cabeza-cola, los investigadores examinaron las diferencias de expresión génica en tres direcciones distintas a lo largo del cuerpo: desde el centro de la estrella de mar hasta las puntas de los brazos, desde la parte superior hasta la inferior y desde un borde lateral de los brazos hasta el otro. A continuación, para ver más de cerca cómo se comportaban ciertos genes clave, los marcaron uno a uno con tintes fluorescentes para crear un mapa detallado de su distribución en el cuerpo de la estrella de mar.

Los investigadores descubrieron que ninguna de las hipótesis principales sobre la estructura del cuerpo de las estrellas de mar era correcta. Por el contrario, observaron que la expresión genética correspondiente al cerebro anterior de los seres humanos y otros animales de simetría bilateral se localizaba a lo largo de la línea media de los brazos de las estrellas de mar, mientras que la expresión genética correspondiente al cerebro medio humano se situaba hacia los bordes exteriores de los brazos. Mientras que los genes que marcan las diferentes subregiones de la cabeza en humanos y otros bilaterios se expresaban en la estrella de mar, sólo uno de los genes típicamente asociados con el tronco en animales se expresaba, en los mismos bordes de los brazos de las estrellas de mar.

Estos resultados sugieren que los equinodermos, y las estrellas de mar en particular, presentan el ejemplo más dramático de disociación de las regiones de la cabeza y el tronco que conocemos en la actualidad, afirma Formery, quien añade que algunos antepasados de las estrellas de mar de aspecto extraño conservados en el registro fósil parecen haber tenido tronco. Esto abre un montón de nuevas preguntas que ahora podemos empezar a explorar.

Al teñir el material genético con etiquetas fluorescentes, los investigadores pueden examinar cómo se comportan los genes clave en el cuerpo de la estrella de mar | foto Laurent Formery

Una puerta a nuevos descubrimientos

El equipo espera averiguar a continuación si el patrón genético observado en las estrellas de mar también aparece en los erizos y pepinos de mar. Por su parte, Formery también quiere averiguar qué puede enseñarnos la estrella de mar sobre la evolución del sistema nervioso, que, según él, nadie acaba de entender en los equinodermos.

Aprender más sobre la estrella de mar y sus parientes no sólo ayudará a resolver misterios clave de la evolución animal, sino que también podría inspirar innovaciones en medicina, señalaron los investigadores. Las estrellas de mar caminan moviendo el agua a través de miles de patas tubulares y digieren sus presas sacando el estómago fuera del cuerpo. Es lógico que estas insólitas criaturas también hayan desarrollado estrategias totalmente inesperadas para mantenerse sanas que, si nos tomáramos el tiempo necesario para comprenderlas, podrían ampliar nuestros métodos para combatir las enfermedades humanas.

Sin duda es más difícil trabajar con organismos que se estudian con menos frecuencia, afirma Rokhsar. Pero si aprovechamos la oportunidad de explorar animales inusuales que funcionan de formas inusuales, eso significa que estamos ampliando nuestra perspectiva de la biología, lo que a la larga nos va a ayudar a resolver problemas tanto ecológicos como biomédicos.

Fuentes

Chan Zuckerberg Biohub | University of Southampton | Formery, L., Peluso, P., Kohnle, I. et al. Molecular evidence of anteroposterior patterning in adult echinoderms. Nature (2023). doi.org/10.1038/s41586-023-06669-2

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