|
Diego Rasskin Gutman és doctor en Biologia i l’investigador responsable del Grup de Biologia Teòrica de l’ICBiBE (Institut Cavanilles de Biodiversitat i Biologia Evolutiva, Universitat de València). A aquest grup pertany també Borja Esteve Altava, doctorat recentment per la Universitat de València. Gràcies als resultats obtinguts en la tesi de Borja Esteve, dirigida pel doctor Diego Rasskin, i a través d’una anàlisi matemàtica en xarxa, han presentat una estructura anatòmica del crani organitzada en deu mòduls. L’estudi es va publicar el passat mes de febrer a la revista Scientific Reports. Amb motiu d’aquesta publicació, i amb la intenció de conèixer més sobre els mètodes i possibilitats d’estudi que ofereix la biologia teòrica, tots dos ens van concedir una entrevista al seu departament del ICBiBE.
En el seu últim estudi presenten una anatomia del crani estructurada en deu mòduls. Aquesta vegada, a diferència d’altres estudis anteriors, s’han inclòs músculs i cartílags, a més d’ossos. Com han aconseguit aquesta modulació més integrativa amb aquests tres elements?
Diego Rasskin: Nosaltres treballem amb un mètode de formalització de les estructures anatòmiques que està basat en la teoria dels escacs. Per a això, hem analitzat els ossos dels cranis en vertebrats utilitzant un mètode d’abstracció en què cada os és representat per un node i una sutura, una articulació o una connexió entre ossos per una connexió entre nodes. Un cop tens aquesta xarxa formada, analitzes les seues propietats matemàtiques, que donen lloc a una anàlisi de modularitat en què es pot veure com estan compartimentats els espais dins del crani. En l’últim any, gràcies a la col·laboració de la Howard University (EUA) i la University of Saskatchewan (Canadà), hem començat a incorporar també teixits tous per tenir una xarxa més completa. Utilitzant la mateixa metodologia, formalitzant cada element anatòmic com un node i cada connexió entre aquests elements com una connexió entre nodes, fent posteriorment un estudi de xarxa matemàtic, hem aconseguit una anàlisi més extensiu del cap humà.
Ha calgut el recull i introducció de moltes dades anatòmiques per poder treballar amb ella?
D. Rasskin: Per a aquest estudi d’AnNA (Anatomical Network Analysis) en concret sí que va ser necessari un recull de dades anatòmiques. Més enllà de la connexió dels ossos, també es va haver de fer una anàlisi de totes les connexions entre músculs, que es va dur a terme a la Howard University. El resultat total són 412 interaccions físiques de 181 nodes.
Borja Esteve: L’eina matemàtica ja existeix i s’aplica a molts altres camps com l’epidemiologia, l’ecologia, la genètica… La matemàtica està molt ben desenvolupada. Nosaltres simplement vam incorporar totes les eines que eren útils per estudiar un sistema anatòmic, com es relacionen les parts del cos entre elles i com interpretar els resultats. Això últim fou el que més ens va costar al principi, entendre els números que estaven sortint de l’anàlisi.
En la biologia teòrica se li concedeix molta atenció al concepte de la modularitat de processos i estructures per entendre millor la dinàmica de l’evolució. Què s’entén per modularitat i què ha permès conèixer aquest estudi sobre l’evolució del crani?
B. Esteve: La idea bàsica de modularitat és que totes les relacions que existeixen entre els elements del cap o de qualsevol part del cos –encara que també és així en qualsevol ecosistema o en un sistema genètic– determinen les teues dependències. Si et falla una relació pots sortir perjudicat o potser se t’obri la porta a noves relacions. Igual que en les relacions socials. Els grups que nosaltres identifiquem com a elements del cap -en aquest cas músculs, cartílags i ossos- que estan molt relacionats entre ells, és a dir, que són molt dependents els uns dels altres, són els mòduls. Aquests mateixos mòduls seguiran units durant l’evolució i es desenvoluparan i funcionaran junts. Una de les coses interessants que vam veure en aquest estudi és que no hi havia una divisió entre elements segons el seu desenvolupament o segons la seva funció, sinó que era un acoblament de les dues coses.
D. Rasskin: En qualsevol cas, el concepte de modularitat no és simplement un concepte que es fa servir en biologia teòrica. Avui dia, la modularitat és un concepte que està bastant en voga en l’anàlisi evolutiu, en l’anàlisi de biologia del desenvolupament i també en l’anàlisi on es troben les dues coses, el que es coneix com anàlisi evo-devo.
Com podria ajudar aquest tipus d’estudis a entendre millor algunes transicions evolutives?
D. Rasskin: En ser més grans les dependències que tenen entre si els elements d’un mòdul que amb qualsevol altra part del sistema, es genera una semi-independència evolutiva. Això vol dir que qualsevol canvi que pugui passar, com una mutació genètica per exemple, es troba circumscrit a aquest mòdul. D’aquesta manera, al llarg del temps aquestes estructures li confereixen al sistema la possibilitat de canviar de tal manera que, quan canvia el que passa en un mòdul, no canvia el que passa a la resta del sistema. És una eina interessant per als anomenats anàlisi de evolvabilitat, és a dir, la possibilitat que les espècies canvien i passen aquest canvi a la seua descendència. En aquest sentit, nosaltres aportem el nostre granet de sorra a la teoria evolutiva general analitzant com la morfologia i l’estructura restringeixen les possibilitats de canvi de les espècies.
B. Esteve: A nivell de transicions evolutives concretes, puc anunciar que m’han concedit una beca Marie Curie per a estudiar la transició evolutiva de l’aleta en els vertebrats aquàtics prèvia a la transició a la terra i als primers vertebrats terrestres. Es treballarà, en aquest cas, en extremitats: estudiant fòssils, fent reconstruccions, etc. Podrem posar en pràctica el que s’ha après per estudiar com canvien aquestes estructures provocant un canvi tan gran pel que fa a la seva funció i hàbitat.
Poden aquests estudis anatòmics amb eines matemàtiques suposar una nova eina per a la medicina?
D. Rasskin: Sens dubte. Nosaltres aportem una idea moderna d’una vella idea anatòmica del segle xix. Una de les idees bàsiques que s’hereta d’autors com Georges Cuvier i Étienne Saint-Hilaire és que la relació entre els elements és molt important. A més, és més important on està un element en relació als altres, per identificar-lo en una anàlisi comparada, que la seua forma. Aquesta idea, que ha estat donant voltes per la biologia comparada, per la biologia evolutiva o per la biologia del desenvolupament durant 150 anys, mai havia estat aplicada de manera sistemàtica i amb una eina matemàtica darrere. I això és el que estem fent nosaltres: recuperar una idea anatòmica clàssica de manera que puga ser operativa, que es puga utilitzar en anatomia de manera general. En aquest sentit, el nostre treball incideix directament en poder treure noves relacions i noves idees que tinguen interès tant en l’anatomia comparada dels animals com en l’anatomia mèdica humana. De fet, ara estem treballant en un article sobre la morfologia que es produeix en el crani de fetus humans que tenen trisomies molt greus, i ho estem estudiant des del punt de vista de l’anàlisi de les xarxes i la seua relació amb cranis normals. Un altre dels treballs que hem publicat, utilitzant la nostra eina matemàtica, és sobre el problema de la craneosinostosi, el tancament prematur de les sutures cranials, que provoca transformacions morfològiques en els ossos del crani del fetus. A poc a poc anem demostrant que utilitzant AnNA es poden treure idees importants.
Altres estudis en què pretén centrar-se la biologia teòrica són els models multiescala, com l’anàlisi de la translació de la informació genètica a la morfologia. Com agrupar aquests nivells tan separats?
D. Rasskin: Utilitzem les sutures com a element del nostre sistema, és a dir, com a connexió entre nodes en una xarxa. Les sutures no són només un nom que identifica aquesta connexió física entre dos ossos, sinó que també són llocs de creixement que, a més, estan determinats genèticament per una sèrie de factors de creixement -una sèrie de gens- que s’estudien de manera sistemàtica. Hi ha models de ratolins que tenen aquests gens mutats i és possible observar què passa durant el creixement. Per tant, aquests estudis multiescala es poden estudiar directament. És a dir, es pot estudiar què és el que passa quan un gen s’està expressant de manera anòmala, què passa amb la sutura, què passa amb la xarxa en general i què passa amb la morfologia d’algun dels elements en particular. Això també incideix sobre la funció i sobre el comportament, és a dir, totes les escales biològiques es poden integrar més o menys de manera eficient. En aquest sentit la connectivitat és un nivell més dins d’aquesta escala, un nivell morfològic diferent del nivell morfològic de la forma o del nivell morfològic de la mida.
B. Esteve: Allò interssant és que la genètica que determina la formació d’una sutura, que és una connexió a la nostra xarxa morfològica, és al seu torn una xarxa de gens interactuant per decidir que hi ha una altra xarxa a dalt i com és. Una de les coses més boniques de les anàlisis de xarxes és que pots, fins i tot amb la mateixa eina matemàtica, analitzar totes les escales biològiques. Això és així perquè la xarxa genètica determinarà les connexions de les teues parts del cos, i alhora teu cos serà la teua via d’interacció amb altres cossos en una xarxa social, i aquesta xarxa social en una xarxa ecològica.
Com afectarà el desenvolupament en computació a aquest tipus d’estudis?
B. Esteve: Per ara ja ho ha suposat enormement, ja que aquestes anàlisis no podrien fer-se sense els ordinadors d’ara.
D. Rasskin: El que seria interessant des del punt de vista tecnològic dins el camp d’AnNA seria una eina que facilités l’abstracció del crani directament en una xarxa, és a dir, que no calgués fer-ho a mà.
B. Esteve: Encara hi ha un procés artesanal en el procés que és mirar el cap i dir: aquí hi ha una connexió i aquí no. Si això es pogués fer de forma automàtica mitjançant programes d’imatge seria fantàstic. Això ja és possible, no necessita cap avanç tecnològic, només ho ha de fer algú.
Quin paper té o tindrà la biologia teòrica en el desenvolupament de noves disciplines com la biologia sintètica o la biologia de sistemes?
D. Rasskin: En alguns sentits la biologia teòrica, la de sistemes i la sintètica s’arriben a tocar. No obstant això, tant la biologia de sistemes com la biologia sintètica han seguit un camí molt particular. La biologia teòrica està molt interessada en formalismes i en models i, encara que en aquestes altres disciplines també s’utilitzin formalismes i models, la biologia sintètica i de sistemes són molt més aplicades i tenen un biaix molt més molecular. Els problemes tractats en aquests dos camps són molt específics, mentre que la biologia teòrica tracta problemes més globals i els seus formalismes i metodologia són molt més inclusius. Això provoca que puguen ser inclosos en diversos nivells d’estudi. No obstant això, en biologia teòrica treballem sobre anatomia comparada amb una metodologia de xarxes que també s’utilitza en altres disciplines com biologia de sistemes, fet que parla bé de la metodologia [riu]. Ara per ara les tres disciplines segueixen el seu propi camí.
I fora de la biologia, en noves disciplines com la robòtica?
D. Rasskin: Sens dubte. Tot el que té a veure amb la vida artificial, la robòtica, els autòmats cel·lulars, tot això forma part de tota una idea de biologia teòrica que sorgeix en els anys 60. I tot i que també segueix el seu propi camí, s’inclouen molt més que els anteriors dins de la biologia teòrica.
I ja per acabar, segueixen rient-se els biòlegs d’un elefant circular? [Metàfora atribuïda al biomatemàtic Lee Segel per a criticar la posició dels biòlegs cap a la biologia teòrica]
D. Rasskin: [riu] Molts sí, lamentablement. Però, per altra banda, gràcies al fet que han sorgit altres disciplines com la biologia sintètica i la biologia de sistemes amb molta força, són cada vegada menys. Malauradament és un problema històric de la biologia el fet que alguns biòlegs quan veuen assumpcions que no són biològiques, sinó que són més aviat semblants a la física, com «siga un elefant circular…», es fan enrere. No obstant això, un elefant circular té el seu mèrit. Per exemple, si vols estimar grosso modo el seu volum o la seua superfície corporal. Són conceptes dels quals durant molt de temps molts biòlegs s’han rigut o no han volgut ficar-se en això, però gràcies al fet que altres camps han abraçat l’ús de models i eines matemàtiques cada vegada va a millor.
Juli Zacarés Perea. Graduat en Biologia. Estudiant del Màster en Història de la ciència i comunicació científica (UV).
© Mètode 2015.
|
|
«La idea bàsica de modularitat és que totes les relacions que existeixen entre els elements del cap o de qualsevol part del cos determinen les teues dependències»
(Borja Esteve)
«Aportem el nostre granet de sorra a la teoria evolutiva general analitzant com la morfologia i l’estructura restringeixen les possibilitats de canvi de les espècies»
(Diego Rasskin)
«Una de les coses més boniques de les anàlisis de xarxes és que pots, fins i tot amb la mateixa eina matemàtica, analitzar totes les escales biològiques»
(Borja Esteve)
«Gràcies al fet que han sorgit altres disciplines com la biologia sintètica i la biologia de sistemes amb molta força, són cada vegada menys els biòlegs que accepten assumpcions que no són biològiques»
(Diego Rasskin)
|
