Por qué los gusanos nematodos podrían ser la clave del envejecimiento

Es fácil pensar que un corazón joven y saludable debería latir con más regularidad que un corazón viejo. No tan. Numerosos estudios han demostrado que la variabilidad en la frecuencia cardíaca es un buen indicador de la salud cardíaca y los corazones más viejos y enfermos tienden a mostrar menos variabilidad, no más.

La variabilidad está en el tiempo entre latidos. Trazar este cambio a lo largo del tiempo muestra un patrón claro. En las personas enfermas, el latido es más regular. Pero en las personas sanas, los cambios pequeños son muy comunes y también ocurren cambios grandes, aunque con menos frecuencia.

Este patrón es importante. Los matemáticos la llaman distribución de colas pesadas o ley de potencias, y tiene características significativas. Quizás lo más sorprendente es la invariancia de escala. Por muy de cerca que estudies una trama de este tipo, siempre se ve igual. Entonces, las variaciones que ocurren en una escala se ven exactamente iguales a las variaciones en otra escala.

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

Este patrón es diferente para las personas mayores con corazones más frágiles. Y no es solo el latido del corazón lo que varía de esta manera. Los patrones de picos neurales y los patrones de marcha humanos también varían de la misma manera con la edad. Y eso sugiere una nueva forma de estudiar el envejecimiento al comprender mejor el papel que juega la invariancia de escala en los procesos biológicos.

Sin embargo, hay un problema. Los humanos son difíciles de estudiar en este sentido. El proceso de envejecimiento lleva décadas, y los humanos son difíciles de monitorear en estas escalas de tiempo.

Por lo tanto, a los investigadores les encantaría estudiar la naturaleza de la invariancia de escala en organismos menos complejos que son más fáciles de cuidar. Pero aún no se ha establecido la existencia de estos patrones en formas de vida inferiores.

Ingrese a Luiz Alves en la Universidad Northwestern en Illinois y algunos amigos, quienes han encontrado evidencia de patrones invariantes de escala en el comportamiento de los gusanos nematodos. Además, estos chicos dicen que los patrones cambian a medida que los gusanos envejecen y que esto proporciona una nueva y poderosa forma de estudiar los procesos y mecanismos biológicos detrás del envejecimiento.

Primero, algunos antecedentes. La invariancia de escala es la noción de que algunas cosas se ven iguales independientemente de la escala en la que se vean.

Muchas cosas tienen esta propiedad. Una línea de costa es de escala invariable o fractal: se ve igualmente irregular si se examina a escala de centímetros, metros o kilómetros. Una línea recta infinita es invariable en escala: no hay forma de saber qué tan cerca está de esa línea simplemente mirándola.

Por el contrario, los rectángulos, los automóviles y las galaxias no son invariantes a escala. Estos objetos se ven completamente diferentes dependiendo de su distancia.

La invariancia de escala no se limita solo a los objetos. En los últimos años, los físicos han descubierto muchos fenómenos que también son invariantes a escala. Por ejemplo, los incendios forestales son invariantes de escala. Hay muchos incendios forestales pequeños y unos pocos incendios forestales grandes, pero la relación entre el tamaño y la frecuencia es invariable a escala.

Estudie un gráfico del tamaño de los incendios contra su frecuencia y no hay forma de distinguir entre los grandes y los pequeños: todos siguen el mismo patrón. Y eso implica que hay una forma importante en la que los incendios forestales son todos iguales.

Los físicos creen que esta similitud se basa en la forma en que los incendios se propagan a través de la red de vínculos entre los árboles. Un incendio solo puede propagarse cuando estos enlaces están en su lugar. Pero la red cambia constantemente a medida que los árboles crecen y mueren.

Y eso significa que no hay forma de saber qué tan grande será un incendio cuando comience; el tamaño depende de la naturaleza de la red en ese instante.

Eso tiene grandes implicaciones para nuestra comprensión de causa y efecto. Los incendios forestales pueden iniciarse con un cigarrillo perdido o una cerilla desechada por descuido. Pero su eventual tamaño no tiene nada que ver con este desencadenante. Eso depende de la red. De hecho, la invariancia de escala en fenómenos complejos está íntimamente ligada a la ciencia de redes.

Tome el tamaño de los terremotos, que también es invariable en escala. La red relevante aquí es la forma en que las fuerzas se transmiten a través de las rocas: esto es lo que determina el tamaño final del terremoto.

Las guerras también son invariantes a escala (medidas por el número de muertes). Aquí, la red relevante es la forma en que las influencias sociales, militares y políticas se propagan a través de una región. Esto cambia constantemente por innumerables razones. Implica que cualquiera que comience una guerra no puede, en principio, saber qué tan grande llegará a ser. Y el incidente desencadenante no es más importante para determinar el número final de muertes que el tamaño de la cerilla que inicia un incendio forestal determina hasta dónde se propaga.

Pero, ¿cuál es la red relevante que conduce a la invariancia de escala en los sistemas biológicos? Nadie está seguro, por lo que la capacidad de estudiarlo en gusanos nematodos podría ser tan importante.

Los nuevos experimentos que demuestran la invariancia de escala son sencillos. Alves y compañía comienzan con gusanos nematodos estándar, Caenorhabditis elegans , todas nacidas el mismo día y cultivadas en idénticas condiciones en el laboratorio.

Luego, el equipo utilizó un sistema de visión artificial para rastrear el movimiento de 10 a 15 de estos gusanos en un espacio cerrado a 20 °C. Repitieron estas observaciones a medida que los gusanos envejecían durante seis días y también a medida que aumentaba la temperatura para simular el estrés.

C. elegans Suelen vivir alrededor de dos a tres semanas, por lo que los seis días del experimento equivalen a observar una edad humana desde la adolescencia hasta la mediana edad. Nuestras comparaciones se realizan para el equivalente humano de 15 años y 40 años, dicen Alves y compañía.

Los resultados hacen una lectura interesante. Los gusanos nematodos no se mueven en simples líneas rectas y tampoco se mueven todos de la misma manera, a pesar de su crianza idéntica. En cambio, se mueven, luego se detienen, luego retroceden, recorren distancias más largas, etc.

Este patrón es similar a un paseo aleatorio o vuelo de Levy, y es bien conocido por los especialistas en comportamiento animal. Consiste en muchos viajes cortos y un número mucho menor de travesías más largas. Muchos animales siguen este patrón cuando buscan comida.

Fundamentalmente, la longitud del viaje graficada contra la frecuencia es invariable a escala o fractal, al igual que las costas, el tamaño de los incendios forestales, las guerras y la variación del latido del corazón humano.

Además, Alves y sus colegas dicen que esta invariancia de escala cambia de manera medible a medida que los gusanos envejecen o experimentan más estrés. Estos cambios son el resultado de muchos factores, como la puesta de huevos, la búsqueda de pareja, la búsqueda de alimentos, etc.

Pero la clave es que cambian con el tiempo o con el estrés de manera medible. Encontramos diferencias estadísticamente significativas en el comportamiento fractal de la motilidad de C. elegans para diferentes edades y niveles de estrés, de manera similar a lo que se ha informado para la fisiología humana, dicen Alves y compañía. Nuestros resultados sugieren que la similitud con el proceso de envejecimiento humano es más profunda de lo que se pensaba anteriormente.

Esa es una conclusión interesante que abre el camino a una nueva línea de ataque en el estudio del envejecimiento. Creemos que C. elegans se puede utilizar para estudiar cómo los procesos reguladores de los sistemas fisiológicos crean la dinámica fractal y proporcionar información sobre los procesos fundamentales necesarios para mantener una fisiología saludable a pesar del envejecimiento y el estrés, dice el equipo.

C. elegans es especialmente adecuado para este tipo de trabajo como una de las criaturas mejor estudiadas de la Tierra. Tiene una estructura corporal simple 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 por ciento de los genes de los nematodos son homólogos a los humanos.

Eso prepara el escenario para una investigación interesante. Alves y compañía se han fijado un objetivo ambicioso con una meta digna. Estaremos atentos a monitorear el progreso.

Ref: arxiv.org/abs/1705.03318 : Correlaciones de largo alcance y dinámica fractal en C. Elegans: cambios con el envejecimiento y el estrés

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