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Biomedicina

¿Qué tienen en común los nematodos, los incendios y el envejecimiento humano?

Una investigación demuestra, por primera vez, que la variación del desplazamiento de estos gusanos a lo largo de su vida muestra un patrón fractal. Entender el por qué podría representar una pista crucial para la ciencia del envejecimiento

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Teresa Woods
  • 24 Mayo, 2017

Resulta fácil pensar que el latido de un corazón joven debería ser más regular que el uno de más edad. Pero numerosos estudios han demostrado que la variabilidad del ritmo cardíaco representa un buen indicador de la salud cardíaca y que, en realidad, los corazones más enfermos tienden a mostrar menos variabilidad, no más.

La variabilidad se compone a partir del tiempo transcurrido entre latidos. Mapear estos cambios ofrece un patrón claro. En la gente enferma el latido es más regular, pero en personas sanas los cambios pequeños son muy comunes y también se producen grandes cambios, aunque con menos frecuencia.

Este patrón es importante. Los matemáticos lo llaman una distribución de "cola larga" o una "ley de potencias", y tiene importantes características. Tal vez la más sorprendente sea que la escala no varía. Al margen del nivel de detalle al cual se estudie un mapeo de este tipo, siempre tiene el mismo aspecto. Así que las variaciones que se producen a una escala tienen exactamente el mismo aspecto que las variaciones hechas a otra escala.

Foto: Los patrones de movimiento de los gusanos nematodos ahora pueden ser monitorizados por sistemas de visión automática, una tecnología que está revolucionando el estudio del comportamiento de los gusanos.

Este patrón es distinto para la gente mayor con corazones más frágiles. Los patrones neuronales y del andar humano también varían de la misma manera con la edad. Y eso sugiere un nuevo modo de estudiar el envejecimiento: mejorar nuestro entendimiento del papel que juega la invarianza de escala en los procesos biológicos.  

Pero hay un problema. Los humanos somos difíciles de estudiar en este sentido. El proceso de envejecimiento lleva décadas, y cuesta monitorizar a una persona durante tanto tiempo.

Así que a los investigadores les encantaría estudiar la naturaleza de la invariabilidad de escala en organismos menos complejos y, por tanto, más fáciles de cuidar. Pero aún no se ha confirmado que ese tipo de formas de vida también presente esos patrones.

Aquí es donde entran el investigador de la Universidad de Northwestern (EEUU) Luis Alves y varios compañeros, que han encontrado pruebas de la existencia de patrones de invariancia de escala en los gusanos nematodos. Además, afirman que sus patrones cambian a medida que envejecen, y que esto proporciona una potente nueva forma de estudiar los procesos y mecanismos biológicos del envejecimiento.

Primero, un poco de contexto. La invariancia de escala es la idea de que algunas cosas presentan el mismo aspecto al margen de la escala a la que sean observadas.

Hay muchos elementos que presentan esta propiedad. Un litoral presenta invarianza de escala, o es un fractal, y por lo tanto presenta el mismo aspecto serrado si se examina a una escala de centímetros, metros o kilómetros. Una línea recta infinita es invariante de escala, no existe ninguna manera de saber la distancia a la que se está obervando.

En contraste, los rectángulos, los coches y las galaxias no lo son. Estos objetos presentan aspectos totalmente diferentes en función de su distancia.

La invariancia de escala no está limitada a los objetos. Los físicos han descubierto muchos fenómenos que también son invariantes de escala. Por ejemplo, los incendios forestales son invariantes de escala. Hay muchos pequeños incendios y unos pocos incendios grandes, pero la relación entre el tamaño y la frecuencia es invariante de escala.

Si uno estudia un mapeo del tamaño de los incendios forestales contra su frecuencia, no existe manera de distinguir entre incendios grandes y pequeños, todos siguen el mismo patrón. Y eso implica que existe un patrón común en el que los incendios forestales son todos iguales. Los físicos creen que esta similitud se basa en cómo se propagan por las redes de vínculos entre árboles. Un incendio sólo se puede propagar cuando existen estos vínculos. Pero la red cambia constantemente medida que los árboles crecen y mueren. Esto significa que no es imposible saber cómo de grande llegará a ser un incendio cuando arranque; el tamaño depende de la naturaleza de la red en ese instante.

Eso tiene grandes implicaciones para la comprensión del fenómeno causa y efecto. Los incendios forestales pueden ser iniciados por un cigarrillo o una cerilla mal apagados. Pero su tamaño final no tiene nada que ver con el catalizador. Eso depende de la red. De hecho, la invariancia de escala en fenómenos complejos está íntimamente relacionada con la ciencia de redes.

Considere el tamaño de los terremotos, que también es invariante de escala. La red relevante en este caso depende de cómo las rocas transmiten la fuerza, y esto es lo que determina el tamaño final del terremoto.

Las guerras también son invariantes de escala (en cuanto al número de muertes). Aquí, la red relevante es la manera en la que las influencias sociales, militares y políticas se extiendan dentro de una región. Esto cambia continuamente por muchos motivos. Por lo tanto, quien provoque una guerra no puede, en teoría, saber cuán grande se volverá. Y el incidente catalizador no tiene más importancia para determinar el número total de muertes de la que tiene el tamaño de la cerilla que provoque un incendio forestal en determinar su alcance total.  

Pero, ¿cuál es la red relevante que da paso a la invariancia de escala en sistemas biológicos? Nadie lo tiene claro, por lo que la capacidad de estudiarlo en nematodos podría resultar tan importante.

Los nuevos experimentos que demuestran la invariancia de escala son sencillos. El equipo de Alves empezó con gusanos nematodos comunes, Caenorhabditis elegans, todos ellos nacidos el mismo día y criados en condiciones idénticas dentro del laboratorio.

Entonces, el equipo empleó un sistema de visión automática para rastrear el movimiento de entre 10 y 15 nematodos dentro de un espacio cerrado y calentado a 20 °C. Repitieron estas observaciones a medida que los nematodos envejecían durante seis días y también tras aumentar la temperatura para simular el estrés.

Los C. elegans normalmente viven entre dos y tres semanas, así que los seis días del experimento son el equivalente a observar un humano envejecer desde la adolescencia hasta la mediana edad. Alves detalla: "Nuestras comparaciones equivalen al envejecimiento humano de quinceañero a cuarentón".

Los resultados son interesantes. Los nematodos no se desplazan en línea recta ni todos del mismo modo, a pesar de su crianza idéntica. En su lugar, se desplazan y se detienen, y luego se desplazan marcha atrás, recorren distancias más largas, y así sucesivamente.

Este patrón es similar a un camino aleatorio, o el vuelo Lévy, y es bien conocido por los etólogos. Consta de muchos recorridos cortos y un número mucho más pequeño de trayectos más largos. Muchos animales siguen este patrón mientras buscan comida.

De forma crucial, la longitud del trayecto mapeado frente a su frecuencia es invariante de escala o fractal, al igual que los litorales, el tamaño de los incendios forestales, las guerras y la variación del ritmo cardíaco humano.

Además, el equipo de Alves asegura que esta invariancia de escala cambia de manera medible mientras los gusanos envejecen o sufren más estrés. Estos cambios son el resultado de muchos factores como la puesta de huevos, la selección intersexual y la búsqueda de comida, entre otros.

Pero la clave está en que cambian con el tiempo o bajo los efectos del estrés, y estos cambios se pueden medir. La investigación afirma: "Encontramos diferencias estadísticamente significantivas en el comportamiento fractal de la movilidad de C. elegans entre distintas edades y niveles de estrés, de modo similar a lo que se ha encontrado en la fisiología humana. Nuestros resultados sugieren que la similitud con el proceso de envejecimiento humano es más profunda de lo que se creía anteriormente".

Es una interesante conclusión que abre el camino para una nueva línea de ataque en el estudio del envejecimiento. La investigación continúa: "Creemos que el C. elegans servirá para estudiar cómo las dinámicas fractales son generadas por los procesos regulatorios de los sistemas fisiológicos y proporcionar conocimientos nuevos sobre los procesos fundamentales requeridos para mantener una sana fisiología a pesar del envejecimiento y el estrés".

Los C. elegans son ideales para este tipo de trabajos ya que son las criaturas más estudiadas del planeta. Tienen una sencilla estructura corporal con 302 neuronas y un genoma bien caracterizado de 100 megabases. En comparación, el genoma humano tiene alrededor de 3,6 gigabases. Pero, curiosamente, el 40% de los genes nematodos son homólogos con los humanos.

Eso sienta las bases para unas investigaciones muy interesantes. El equipo de Alves se han fijado un ambicioso objetivo con una meta encomiable. Estamos ansiosos por observar sus progresos.

Ref:  arxiv.org/abs/1705.03318: Long-Range Correlations and Fractal Dynamics in C. Elegans: Changes with Aging and Stress

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