Descubren que las estrellas de mar tienen un cerebro en cada brazo

Durante siglos, los naturalistas se han preguntado dónde podría estar la cabeza de las estrellas de mar. Al mirar un gusano o un pez, queda claro qué extremo es la cabeza y cuál es la cola. Pero con cinco brazos idénticos, cualquiera de los cuales puede tomar la iniciativa de impulsar a las estrellas de mar a través del fondo marino, nadie sabe cómo determinar cuál es la parte posterior de este organismo y cuál es la anterior. Y es que tan inusual diseño corporal ha llevado a muchos científicos a concluir que las estrellas de mar tal vez no tengan cabeza ni pies.

Pero ahora, los laboratorios de la Universidad de Stanford y la UC Berkeley, han publicado un estudio que termina con este misterio. En resumen, si bien el equipo detectó firmas genéticas asociadas con el desarrollo de la cabeza en casi todas partes de 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.

Los investigadores utilizaron una variedad de técnicas moleculares y genómicas de alta tecnología para comprender dónde se manifestaban los diferentes genes durante el desarrollo y crecimiento de las estrellas de mar. Un equipo de Southampton utilizó una exploración por micro-CT para comprender la forma y estructura del animal con un detalle sin precedentes.

Otro descubrimiento realizado consiste en que las firmas moleculares típicamente asociadas con la porción más frontal de la cabeza se localizaron hacia la mitad de cada uno de los brazos de la estrella de mar, y estas firmas se vuelven progresivamente más posteriores y se dirigen hacia los bordes de los brazos.

En realidad, son todo cabezas

Y es que la investigación, publicada el 1 de noviembre en Nature, sugiere que, lejos de carecer de cabeza, a lo largo de la evolución las estrellas de mar perdieron sus cuerpos para convertirse sólo en cabezas.

"Es como si a la estrella de mar le faltara por completo un tronco, y se explica mejor como simplemente una cabeza arrastrándose por el fondo marino", indicó Laurent Formery, investigador postdoctoral y autor principal del nuevo estudio. "No es en absoluto lo que los científicos suponían acerca de estos animales".

Dos de los tres coautores principales del estudio, el biólogo marino 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.

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.

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.

Simetría quíntuple, en vez de doble

Pero el diseño corporal de las estrellas de mar ha desconcertado durante mucho tiempo a los científicos que estudian la evolución animal. 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 diseña 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 cabeza-cola.

Sin embargo, los esfuerzos realizados para confirmar definitivamente tales hipótesis se han topado con varios obstáculos, 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, Lowe y sus colegas habían deseado aportar información genética 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 genéticas desarrollados durante décadas de investigación que existen para organismos modelo típicos, un análisis tan completo era desalentador.

Tecnología innovadora

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, PacBio 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 secuenciación 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.

"Una 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".

Un nuevo sistema de análisis genético permitió ver los rastros de cerebro a lo largo del cuerpo de la estrella

Esta tecnología permitió a los investigadores secuenciar los genomas de las estrellas de mar y emplear un sistema llamado transcriptómica espacial, a través del cual pudieron identificar qué genes de estrellas de mar están activos en lugares precisos del organismo. Para buscar patrones que indicaran un eje de la cabeza a la cola, los investigadores 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 lado de sus brazos hacia el otro.

Luego, para observar más de cerca cómo se comportaban ciertos genes clave, los etiquetaron uno por uno con tintes fluorescentes para crear un mapa detallado de su distribución en el cuerpo de la estrella de mar.

Cerebros en los brazos

Los investigadores descubrieron que ninguna de las hipótesis predominantes sobre la estructura del diseño corporal de las estrellas de mar era correcta. En cambio, vieron 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.

Mientras que los genes que marcan diferentes subregiones de la cabeza en humanos y otros bilaterales se detectaron en la estrella de mar, sólo uno de los genes típicamente asociados con el tronco en los animales fue detectado, concretamente en los bordes de los brazos de las estrellas.

"Estos resultados sugieren que los equinodermos, y las estrellas de mar en particular, son el ejemplo más claro de desacoplamiento de las regiones de la cabeza y el tronco que conocemos", dijo Formery, quien añadió que algunos ancestros de estrellas de mar de aspecto extraño conservados en el registro fósil parecen haber tenido un tronco. "Simplemente, esto abre un montón de nuevas preguntas que ahora podemos empezar a explorar", añadió.

Una puerta a nuevos descubrimientos

Las preguntas que el equipo espera abordar a continuación tienen que ver con si el patrón genético observado en las estrellas de mar también aparece en los erizos y pepinos de mar. Por su parte, Formery también quiere investigar qué puede enseñarnos la estrella de mar sobre la evolución del sistema nervioso, algo que, según él, nadie comprende del todo en los equinodermos.

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, dijeron los investigadores. Las estrellas de mar caminan moviendo agua a través de miles de pies tubulares y digieren 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. Son unas estrategias que, convenientemente estudiadas, podrían ampliar nuestros enfoques para combatir las enfermedades humanas.

"Ciertamente es más difícil trabajar con organismos que se estudian con menos frecuencia", dijo Rokhsar. "Pero si aprovechamos la oportunidad para explorar animales inusuales que operan de maneras inusuales, eso significa que estamos ampliando nuestra perspectiva de la biología, lo que eventualmente nos ayudará a resolver problemas tanto ecológicos como biomédicos".

Estudio de referencia: DOI: 10.1038/s41586-023-06669-2. www.nature.com/articles/s41586-023-06669-2

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