La danza que da forma a los seres vivos

Saber cómo se construye un ser vivo es un enigma que ha captado la imaginación desde muy antiguo. Un organismo como el ser humano comienza su desarrollo con una única célula y termina con varias decenas de billones. Cualquier problema que afecte al momento en que estas células se dividen o al lugar que ocupan dentro del embrión producirá malformaciones de todo tipo. Eso si el embrión llega a prosperar, porque en la mayoría de los casos los huevos fecundados simplemente no prosperan.

De estos problemas se ocupa la biología del desarrollo, desentrañando los mecanismos que hacen que un embrión se convierta en un individuo adulto. Por ello, la versión más profunda de la ambigua pregunta '¿de dónde venimos?' se convierte, gracias a la biología del desarrollo, en una cuestión de dimensiones palpables. Saber cómo nos formamos nos permitirá conocernos mejor y acercarnos cada vez más a comprender las causas biológicas de las enfermedades que nos afectan.

El desarrollo es un juego entre el tiempo y el espacio que crea formas, genera tejidos y, mediante tirones y empujones, va formando el embrión

La gran diversidad de estructuras y funciones presentes en la naturaleza resulta de la integración de unos pocos mecanismos sencillos

Aquellos pequeños homúnculos

La historia de la biología del desarrollo es bastante peculiar. Hace 2.300 años, Aristóteles realizó numerosas observaciones acerca de la embriología de animales y plantas, sentando las bases de la ciencia empírica. Pero tuvieron que pasar 2.000 años más para que se comenzara a hacer algún progreso significativo, gracias a la aparición del microscopio, que permitió la exploración del mundo de lo pequeño.

Dos teorías para explicar cómo podía un organismo desarrollarse a partir de una sola célula competían hasta el siglo XIX. Por un lado, la teoría de la preformación, que presumía la existencia de un cuerpo en miniatura, un homúnculo, dentro del huevo fecundado. Este homúnculo era un individuo completamente formado que no tenía más que crecer durante la gestación. La otra teoría, denominada epigénesis, afirmaba que existían factores que tenían la facultad de guiar a las células para que formaran los órganos correspondientes.

Hoy sabemos que la segunda teoría estaba mucho más cerca de la realidad. El óvulo fecundado no tiene una versión en miniatura del cuerpo, sino una serie de proteínas y otras moléculas que van determinando el destino particular de cada célula.

Para desechar la teoría del homúnculo se ha andado un largo camino. Uno de los grandes logros es haber relacionado los primeros pasos de la embriogénesis con la activación o desactivación específica de genes maestros. Y debemos a un investigador español, Antonio García Bellido, los primeros trabajos que llevaron al descubrimiento de los tipos de genes necesarios para la formación de un embrión durante el desarrollo. De esta forma se creó la magnífica escuela española de biología del desarrollo, una de las mejores del mundo.

Antes del conocimiento molecular, la embriología experimental había descubierto que ciertas partes y células del embrión poseen propiedades organizadoras, inductoras y generativas para formar todas las estructuras y órganos del cuerpo. La gran figura de esta primera fase fue Hans Spemann, que obtuvo el Premio Nobel en 1935 por descubrir la zona que organiza el diseño del embrión.

Con la llegada de las técnicas moleculares se han localizado las proteínas que se encargan de dar estas propiedades generativas a las células y los genes que las codifican. Una importante familia de estos genes maestros es la de los denominados genes homeóticos o genes HOX, que determinan rasgos tan generales de un embrión como sus ejes espaciales o la identidad de cada región en desarrollo.

Las mutaciones en algunos de estos genes pueden provocar cambios espectaculares, como, por ejemplo, que en vez de una antena salga una pata en la mosca del vinagre. La importancia que éstos y otros descubrimientos tienen para el desarrollo de un embrión fue reconocida al otorgar, en 1995, el Premio Nobel a Christiane Nüsslein-Volhard, Eric F. Wieschaus y Edward B. Lewis.

Ojo de mosca, ojo de hombre

La gran sorpresa para la genética del desarrollo fue descubrir que una gran parte de los genes que están relacionados con el desarrollo del embrión se conservan con muy pocas modificaciones en especies tan dispares como la mosca y el hombre. Pese a la gran diferencia estructural entre el ojo humano y el de la mosca, los genes que señalan la aparición de este órgano en uno y otro son tan parecidos que el gen humano es capaz de inducir en la mosca la formación de estructuras visuales propias del insecto.

Más aún, un mismo gen se utiliza una y otra vez durante el desarrollo del embrión para funciones completamente distintas. ¿Cómo es posible que se generen tantas funciones dentro de un mismo organismo y tanta diversidad de especies dentro del mundo animal con genes esencialmente iguales?

La respuesta es compleja. Lo que la biología del desarrollo está descubriendo es que la lógica de las interacciones entre moléculas y entre células responde a mecanismos sencillos: la regulación y el diálogo entre proteínas, su diferente acción temporal y su presencia en distintas cantidades. La complejidad emerge cuando se integran todos estos mecanismos sencillos, determinando procesos de desarrollo completamente distintos y dando como resultado la gran diversidad de estructuras y funciones presentes en la naturaleza.

El desarrollo es una danza de señales moleculares y fuerzas celulares. Los genes expresan proteínas con pautas temporales precisas, otorgando a cada célula un destino dentro del embrión. Esta dinámica temporal crea formas, genera tejidos y, a través de plegamientos, empujes, tirones y roces, va formando los órganos en un equilibrio exquisito entre la forma y la función. El desarrollo es, pues, un juego entre el tiempo y el espacio, una coreografía de moléculas y una danza de células, un juego de tiempos para crear espacios funcionales. Durante el desarrollo se generan ritmos y sincronías, a veces en consonancia con lo que sucede en el exterior, como los ritmos de la noche y el día o los ciclos lunares.

La sincronía y su alter ego, la asincronía, son los mecanismos más importantes del desarrollo, provocando que, cuando una región del embrión comienza a dividirse a un ritmo diferente, se establezcan los cimientos de una futura estructura del cuerpo. En cada región hay genes maestros que se activan o reprimen en el momento preciso.

Por ejemplo, sabemos que la presencia de las familias de genes Wnt y FGF indica dónde y cuándo se empieza a formar una extremidad. El diálogo iniciado por Wnt y FGF con otras proteínas proporciona la identidad a las células que formarán las extremidades, forjándoles su destino. Para que el desarrollo de un órgano proceda correctamente, el diálogo cruzado entre señales moleculares tiene que regularse de manera precisa y hacer que el flujo de información que permite a cada célula saber dónde está posea la dirección e intensidad requeridas en cada momento.

La cartografía de la vida

Cuando Colón viajó a América, no había mapas que la pusiesen en su sitio, ni detalles acerca de las corrientes y vientos que pudiesen ayudarle en su recorrido. La aventura de las células dentro del embrión en desarrollo se asemeja a un viaje cuyo destino es el organismo, con la peculiaridad añadida de que son ellas mismas quienes, a lo largo del camino -mediante divisiones, movimientos y hasta suicidios programados-, darán forma y función al ser vivo. Así es la morfogénesis o conjunto de procesos y mecanismos que propician la formación de un embrión. Las células hacen camino al andar.

Cada célula pasa por paisajes sinuosos en donde caminos que se bifurcan, y que ellas mismas crean, las obligan a tomar decisiones irremediables. Este juego de decisiones determina el episodio más importante de la existencia de una célula: su identidad o estado diferenciado, un proceso gradual que sigue caminos trazados por señales moleculares y fuerzas físicas.

La diferenciación inicial de las células embrionarias da lugar a tres tejidos: endodermo, mesodermo y ectodermo. Todos los embriones pasan por un estado inicial que se denomina gástrula, en el que se produce una remodelación masiva de la arquitectura del embrión.

A partir de la gastrulación se decide acerca de los grandes ejes espaciales del futuro organismo: se establece dónde estará la cabeza y dónde la cola, dónde se formarán la espalda y el vientre, qué será derecha y qué izquierda. Existe una relación directa entre los tres tejidos básicos y los tejidos nuevos que finalmente formarán parte de cada órgano. Esto hace que sea posible dibujar mapas de destino y seguir el devenir de cada célula a medida que cambia el paisaje embrionario.

La biología del desarrollo se halla en un momento muy fecundo, pero tiene una asignatura pendiente: lograr la integración de genes, proteínas, células, tejidos y órganos con el desarrollo del propio individuo. Para comprender cómo se construye un ser vivo, será necesario integrar lo que ocurre en todos esos niveles y observar esos procesos como una intrincada red de redes. El uso intensivo de herramientas informáticas acopladas a modelos matemáticos y físicos revolucionará en los próximos años la biología del desarrollo.