Un estudi apunta a la possibilitat d’induir estats crítics en cèl·lules vives
Un equip multidisciplinari liderat per l'Institut de Biologia Evolutiva (IBE) ha aconseguit crear un circuit genètic que permet a les cèl·lules vives assolir estats crítics, estimulant nous patrons de comportament.
Aquest estudi, publicat recentment a la revista Nature Communications, pot ajudar a entendre millor l’origen de la cognició i, fins i tot, millorar l’administració de fàrmacs contra tumors.
Aquests dies d’estiu és molt habitual trobar-se a la platja nens i nenes jugant a apilar sorra, creant monticles cada cop més grans i observant les petites allaus que es creen sobre els seus pendents. Quan la pila de sorra creix, el seu pendent assoleix un punt crític arribat al qual, si hi aboquem més sorra, aquesta lliscarà i caurà en forma d’allaus de volums diferents. Al seu punt més alt, la pila de sorra es troba en un estat crític entre l’ordre i la inestabilitat.
Això es coneix com a criticalitat auto-organitzada o SOC (de l’anglès self-organized criticality), principi proposat el 1987 pel físic danès Per Bak per mitjà del qual les petites interaccions entre els elements d’un sistema arriben de manera natural a aquest punt crític, on un esdeveniment menor pot generar respostes de diversa mesura, en alguns casos catastròfiques. Aquest principi és observable en molts altres sistemes complexos que mostren estats propers als seus punts crítics, com és el cas de terratrèmols, mercats financers, el trànsit i, fins i tot, a l’evolució dels organismes vius.
Ara un equip de recerca multidisciplinari liderat per investigadors de l'Institut de Biologia Evolutiva (IBE), un centre mixt del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC) i de la Universitat Pompeu Fabra (UPF), ha aconseguit introduir les condicions mínimes de la dinàmica de la SOC a cèl·lules vives (bacteris), mitjançant l'enginyeria de la interacció entre paràmetres d'ordre i control, en un disseny simple en xarxa de dos gens. L'estudi, que ha combinat l'esforç d'un equip amb expertesa en biologia, física, enginyeria biomèdica i matemàtiques de l'IBE en col·laboració amb el Centre de Recerca Matemàtica (CRM), obre la porta a utilitzar la biologia sintètica per a dissenyar nous patrons de comportament i estudiar els orígens de la cognició.
L'estudi obre la porta a utilitzar la biologia sintètica per a estimular nous patrons de comportament i estudiar els orígens de la cognició
Un avenç notable en el camp de la biologia sintètica
D'acord amb Ricard Solé, investigador principal del laboratori de Sistemes Complexos de l'IBE i co-responsable de l'estudi amb la investigadora del seu grup Núria Conde, “els cervells, els eixams o fins i tot les societats presenten fluctuacions complexes consistents amb l’anomenat estat crític, just al límit entre l’ordre i el desordre. Aquest estat permet a aquests sistemes respondre ràpidament als canvis ambientals.”
En biologia, els organismes consten d’una varietat intricada de mecanismes de resposta a estímuls externs. Les respostes adaptatives requereixen funcions dinàmiques que combinen un baix cost energètic amb l’habilitat de dur a terme canvis amb rapidesa per respondre de manera eficient als canvis ambientals.“Què passa amb les cèl·lules individuals?” es pregunta Solé. “En aquest estudi, hem analitzat matemàticament i hem creat al laboratori un nou circuit genètic que funciona dins de les cèl·lules i els permet desenvolupar dinàmiques crítiques.”
L’estudi de l’equip de recerca, publicat recentment a la revista Nature Communications, apunta que, a escala cel·lular, les xarxes enzimàtiques podrien trobar-se al llindar d’aquest estat crític i que l’equilibri entre el desordre i l’ordre serviria per estimular la seva capacitat d’adaptació. Se sap, tanmateix, que els estats crítics formen part de l’equip cognitiu dels organismes pluricel·lulars, des dels més simples, no neuronals, fins als col·lectius d’animals. Estar en un estat crític pot tenir importants conseqüències relacionades amb l’eficiència i pot ser rellevant, també, per a tasques de processament d’informació.
“Això obre la possibilitat a dissenyar nous patrons de comportament i estudiar els orígens de la cognició a escales més petites” apunta Solé. Es podria arribar a utilitzar aquest mateix mètode per aconseguir funcionalitats rellevants, com per exemple la millora en el lliurament de medicaments contra tumors colorectals.
Article referenciat: Vidiella B, Guillamon A, Sardanyés J, Maull V, Pla J, Conde N, Solé R. Engineering self-organized criticality in living cells. Nat Commun 12, 4415 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24695-4