¿Las estrellas de mar tienen cabeza? La ciencia tendría la respuesta

La creencia popular, avalada por la ciencia, ha asentado la idea de que las estrellas de mar no tenían cabeza. Ahora parece que sería todo lo contrario. Los naturalistas por mucho tiempo se han preguntado qué podría constituir la cabeza de una estrella de mar. Con sus cinco brazos idénticos, cualquiera de los cuales puede tomar la iniciativa para impulsarla a través del fondo marino, nadie sabe cómo diferenciar la parte delantera del organismo de la posterior.

Pero ahora, un grupo de investigadores de la Universidad de Stanford y la UC Berkeley, dirigidos por especialistas del Chan Zuckerberg Biohub San Francisco, acaban de publicar un estudio que descubre que la verdad está más cerca de lo contrario. Si bien se detectaron firmas genéticas asociadas con el desarrollo de la cabeza en casi todas partes en las estrellas de mar juveniles, en gran medida faltaba la expresión de genes que codifican las secciones del torso y la cola de un animal.

Se utilizó una variedad de técnicas moleculares y genómicas de alta tecnología para comprender dónde se expresaban los diferentes genes durante el desarrollo y crecimiento. El equipo de Southampton utilizó una exploración por micro-CT para comprender la forma y estructura del animal con un detalle sin precedentes.

En otro hallazgo sorprendente, las firmas moleculares típicamente asociadas con la porción más frontal de la cabeza se localizaron en el medio de cada uno de los brazos de la estrella de mar, y estas firmas progresivamente se dirigieron hacia los bordes de los brazos.

La investigación, publicada en la revista Nature, sugiere que, lejos de carecer de cabeza, a lo largo del tiempo evolutivo las estrellas de mar perdieron sus cuerpos para convertirse sólo en aquella. Es como si a la estrella de mar se describe mejor como simplemente una cabeza arrastrándose por el fondo marino. No es en absoluto lo que los científicos suponían acerca de 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, un experto en la evolución molecular de las especies animales, han estado colaborando durante una década detrás de armar el rompecabezas de esta especie.

Casi todos los animales, incluidos los humanos, son bilateralmente simétricos, lo que significa que pueden dividirse en dos mitades reflejadas a lo largo de un único eje que se extiende desde la cabeza hasta la cola. En 1995, el Premio Nobel de Fisiología o Medicina fue otorgado a tres científicos que habían utilizado moscas de la fruta para demostrar que la estructura corporal bilateral, de cabeza a cola, observada en la mayoría de los animales, surge de la acción de una serie de interruptores moleculares, codificados por genes, expresado en regiones definidas de la cabeza y el tronco.

Desde entonces, los investigadores han confirmado que esta misma programación genética es compartida por la gran mayoría de 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 la comprensión de los científicos sobre la evolución. En lugar de mostrar simetría bilateral, las estrellas de mar adultas (y los equinodermos relacionados, como los erizos de mar y los pepinos de mar) tienen un eje de simetría quíntuple sin una cabeza o una cola claras. Y nadie ha podido determinar cómo la programación genética impulsa esta inusual simetría quíntuple.

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

Sin embargo, los esfuerzos para confirmar definitivamente tales hipótesis han enfrentado desafíos, en gran parte porque los métodos para detectar la expresión genética, 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, habíamos deseado aportar información para resolver la cuestión mediante el mapeo de la actividad genética en las estrellas de mar en desarrollo. Pero sin los complejos kits de herramientas desarrollados durante décadas de investigación que existen para organismos modelo típicos, un análisis tan completo era desalentador.

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

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

“El tipo de secuenciación que habría llevado meses ahora se puede realizar en cuestión de horas, y es cientos de veces más barato que hace apenas cinco años -afirmó David Rank, también coautor principal del nuevo estudio y ex Miembro científico de PacBio-. Estos avances significaron que pudimos comenzar esencialmente desde cero en un organismo que normalmente no se estudia en el laboratorio y realizar el tipo de estudio detallado que hubiera sido imposible hace 10 años”.

Esta tecnología permitió a los investigadores secuenciar los genomas de las estrellas de mar y emplear un enfoque llamado transcriptómica espacial, a través del cual pudieron identificar qué genes están activos en lugares precisos del organismo.

Para buscar patrones que indicaran un eje de la cabeza a la cola, se examinaron las diferencias en la expresión genética en tres direcciones diferentes en todo el cuerpo: desde el centro de la estrella de mar hasta las puntas de sus brazos, desde la parte superior hasta la parte inferior y desde un borde de sus brazos hacia el otro. Luego, para observar más de cerca cómo se comportaban ciertos genes clave, se etiquetaron uno por uno con tintes fluorescentes para crear un mapa detallado de su distribución en el cuerpo de la estrella de mar.

Descubrimos que ninguna de las hipótesis destacadas sobre la estructura del plan corporal de las estrellas de mar era correcta. En cambio, vimos que la expresión genética correspondiente al cerebro anterior en humanos y otros animales bilateralmente simétricos estaba ubicada a lo largo de la línea media de los brazos de las estrellas de mar, con la expresión genética correspondiente a la del cerebro medio humano hacia los bordes exteriores de los brazos. Estos resultados sugieren que los equinodermos, y las estrellas de mar en particular, tienen el ejemplo más dramático de desacoplamiento de las regiones de la cabeza y el tronco que conocemos hoy. Esto abre un montón de nuevas preguntas que ahora podemos empezar a explorar.

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. Esta especie camina moviendo agua a través de miles de pies tubulares y digiere a sus presas sacando sus estómagos fuera de sus cuerpos. “Es lógico que estas criaturas inusuales también hayan desarrollado estrategias completamente inesperadas para mantenerse saludables que, si nos tomamos el tiempo para comprenderlas, podrían ampliar nuestros enfoques para combatir las enfermedades humanas”, concluyó Rokhsar.

* Laurent Formery es el autor principal y correspondiente del estudio, es investigador postdoctoral en el Departamento de Biología en la Estación Marina Hopkins de la Universidad de Stanford, Pacific Grove, California, EEUU