Miki Ebisuya va crear el seu grup de recerca al Laboratori Europeu de Biologia Molecular – Barcelona (EMBL Barcelona) ara fa un any. No obstant, no ha sigut fins aquest estiu passat que s’ha d’acabat instaurat el seu grup al 100%. “Un dels meus investigadors post-doctorals (que és també el meu marit) ha estat mantenint el grup al Japó al llarg d’aquest any, acabant de tancar alguns temes i traslladant-los aquí. Ell va arribar a Barcelona fa tot just dos mesos”, comenta Ebisuya.
Equipament especial
Els microscopis que han arribat a la 4a planta del Parc de Recerca Biomèdica de Barcelona (PRBB) – on es troba EMBL Barcelona – no són convencionals. “Disposem de microscopis confocals tradicionals, però també d’un microscopi personalitzat que hem desenvolupat conjuntament amb la companyia Olympus al Japó. És per això que estem esperant a que aquesta companyia japonesa vingui i ho instal·li; la seu europea d’aquesta companyia no ven aquests microscopis”, explica la líder del grup.
El que fa aquest microscopi especial és que detecta bioluminiscència, enlloc de fluorescència, que és la manera més habitual de marcar cèl·lules vives.
La bioluminiscència – el mateix que les cuques de llum utilitzen per brillar – no necessita d’excitació. Es tracta d’una reacció enzimàtica que catalitza l’oxidació del substrat luciferina, generant llum. Pel grup, la bioluminiscència té avantatges interessants.
“Utilitzem un microscopi personalitzat que hem desenvolupat conjuntament amb la companyia Olympus al Japó, que detecta bioluminiscència enlloc de fluorescència”
“Una de les coses que estem estudiant són les oscil·lacions (gens que passen d’un estat actiu a un inactiu de manera cíclica), i això es percep com polsos de llum, ja que quan un gen en concret s’expressa, el senyal de bioluminiscència augmenta. Degut a que la periodicitat dels cicles que estudiem és breu (es repeteixen cada 2-5h), no podem utilitzar proteïnes fluorescents, com la GFP, ja que tenen una vida mitja de unes 24h! Si ho féssim, quan aparegués el següent pols, encara estariem veient la llum del primer… I si desestabilitzem la proteïna fluorescent, el senyal es torna massa dèbil com per a ser detectat”, explica la líder del grup. Per sort, la bioluminiscència no genera soroll de fons com sí ho fa la fluorescència, de manera que el temps d’exposició es pot allargar entre 5 i 10 minuts. Això significa que fins i tot un senyal dèbil pot ser detectat.
“Creant” biologia per a entendre’n els principis
El laboratori se centra en la biologia sintètica del desenvolupament. La meitat del laboratori intenta reconstituir mecanismes de desenvolupament artificialment, mentre que l’altra meitat intenta recrear mecanismes de desenvolupament in vitro, mitjançant cèl·lules mare. En ambdós casos, l’objectiu és el mateix: entendre els principis que hi ha rere aquests mecanismes de desenvolupament utilitzant sistemes in vitro. Han estat treballant en quatre procediments:
3- Deformació de teixits
4- Oscil·lacions
La meitat del laboratori intenta reconstituir artificialment mecanismes de desenvolupament, mentre que l’altra meitat intenta recrear mecanismes de desenvolupament in vitro, mitjançant cèl·lules mare
1. Trencament de la simetria
Els primers dos temes els va començar a treballar Ebisuya quan encara estava al Japó. Per al primer, van utilitzar cèl·lules CHO (unes cèl·lules d’hamster sovint utilitzades per cultius cel·lulars), les quals no disposen d’un mecanisme endogen de trencament de simetria intercel·lular. Els investigadors van introduïr un circuit genètic artificial basat en la senyalització Delta-Notch (coneguda per estar involucrada en la divisió cel·lular asimètrica) i van aconseguir que aquestes cèl·lules es dividissin en dos tipus cel·lulars expressant marcadors diferents. Amb aquest experiment, el grup ha demostrat que el sistema Notch no és només necessari, sinó suficient per a generar un trencament de la simetria en la divisió cel·lular. Recrear el fenotip artificialment és la prova definitiva del mecanisme que hi ha darrere. “També hem après quelcom nou, ja que alguns components del sistema no actuen de la manera esperada”, afegeix Ebisuya.
“Recrear el fenotip artificialment és la prova definitiva del mecanisme que hi ha darrere”
2. Formació de patrons
Els patrons són bàsics en desenvolupament; per exemple, les nostres mans segueixen un patró (dit, espai, dit, espai, dit, espai, i així fins a cinc). El segon projecte del laboratori era recrear un patró cel·lular sintètic. Aquest cop, van utilitzar cèl·lules de mamífer HEK293 a les quals van introduïr un circuit genètic que representa el sistema de reacció-difusió, un model matemàtic que explica com la interacció de diverses molècules difusibles pot donar lloc a patrons d’espai.
Amb aquest nou circuit, les cèl·lules comencen a comunicar-se les unes amb les altres enviant senyals que activen a les seves veïnes i inhibeixen aquelles cèl·lules que es troben més lluny. Això genera un patró d’àrees en positiu i negatiu (és a dir, àrees en les que un gen és expressat o inhibit). Els sistema de reacció-difusió és conegut per estar involucrat en aquest procés, i les simulacions computacionals ho han provat durant molt temps – però “crear-ho des de zero, amb cèl·lules, gens i proteïnes reals, és una altra historia”, comenta Ebisuya.
3. Deformació de teixits
Tant el trencament de la simetria com la formació de patrons són essencials en el desenvolupament, però es tracta de mecanismes uni o bidimensionals. I el desenvolupament es dóna en 3D, de manera que el grup intenta ara manipular la forma dels teixits. Estan utilitzant làmines de cèl·lules epitelials en un gel amb l’objectiu de doblegar aquesta làmina. De la mateixa manera que amb els projectes anteriors, el que vol el grup és provar la suficiència dels mecanismes que es coneixen actualment (en aquest cas, la constricció apical) i si s’escau descobrir-ne de nous.
4. Oscil·lacions: el problema de “el temps de l’elefant, el temps del ratolí”
Una altra part del laboratori utilitza cèl·lules mare per recapitular mecanismes naturals del desenvolupament, en comptes de reconstituir-los des de zero. “Encara és in vitro“, somriu la líder del grup, “tan sols una mica menys artificial”.
La científica recorda llegir, a l’institut, un llibre japonès titulat El temps de l’elefant, el temps del ratolí. Aquest llibre li va ensenyar que diferents espècies tenen diferents cicles temporals; els animals més grans viuen més temps, el seu cor batega més lent, el període de gestació és més llarg… “Desgraciadament, el llibre no em responia el per què, de manera que les preguntes es van quedar amb mi”, recorda la biòloga.
Les diferents espècies tenen diferents cicles temporals; els animals més grans solen viure més, però no se sap per què. Mitjançant cèl·lules mare, el laboratori intenta recapitular aquests mecanismes en diferents espècies in vitro, i comparar-les en les mateixes condicions.
“Sempre he pensat que aquest era un problema molt difícil d’estudiar, ja que és complicat comparar què succeeïx en diferents espècies quan ens trobem amb ambients corporals tan diversos; diferent nombre de cèl·lules, nutrició, etc. Ara per ara, gràcies a les cèl·lules mare pluripotents induïdes (iPS) i a les cèl·lules mare embrionàries (ES), podem recapitular aquests mecanismes en diferents espècies in vitro, i comparar-les entre elles sota les mateixes condicions en cultius cel·lulars”, confirma Ebisuya.
Actualment, el grup d’Ebisuya està estudiant el rellotge de segmentació, un tipus d’oscil·lació que té lloc durant el desenvolupament. Curiosament, el temps d’oscil·lació del rellotge de segmentació humà va més lent que el de ratolí. El laboratori utilitza cèl·lules mare pluripotents d’humà i ratolí per a recapitular els rellotges de segmentació in vitro, estudiant així la causa de les diferències entre espècies en quant a temps biològics. “El nostre últim objectiu seria modificar quelcom en cèl·lules humanes i aconseguir que adquireixin el mateix cicle temporal que un ratolí, i viceversa. Això significaria que hem entès els principis amagats rere aquestes diferències”, conclou la investigadora japonesa.
La unió Barcelona-Japó
Ebisuya està bastant assentada a Barcelona. “Encara m’impressiona la bellesa del PRBB i els grups tan interessants que hi ha aquí”, diu. Però això no significa que s’oblidi dels seus orígens.
“Encara m’impressiona la bellesa del PRBB i els grups tan interessants que hi ha aquí”
Miki Ebisuya
En un intent de, per una part, mantenir el contacte amb els seus antics companys al Japó i, per l’altra part, conèixer als seus nous veïns, Ebisuya ha organitzat la Trobada Japó-Barcelona sobre Morfogènesi en 3D, que tindrà lloc al PRBB els dies 21 i 22 d’octubre. La investigadora anima al personal del PRBB, així com a la gran comunitat d’investigadors de Barcelona, a assistir-hi. “És gratuït, però cal registrar-se a través del web”, informa la líder del grup.
La jove líder de grup explica també els motius que hi ha rere aquesta trobada: “El Japó és un païs molt aïllat, i degut a la geografia i a la barrera de l’idioma, és molt complicat comunicar-se amb investigadors d’altres parts del món… Però existeixen molts investigadors interessants allà – així com aquí a Barcelona. Així que vaig voler organitzar un esdeveniment on es poguessin trobar!”.
Ebisuya anima al personal del PRBB, així com a la gran comunitat científica de Barcelona, a assistir a la pròxima Trobada Japó-Barcelona sobre Morfogènesi en 3D.
Construïnt una comunitat
Ebisuya està molt interessada en crear comunitats. Al PRBB ha trobat bons col·laboradors, com Jordi Garcia Ojalvo, del Departament de Ciències Experimentals i de la Salut, Universitat Pompeu Fabra (DCEXS-UPF). “Coneixia la seva feina, però no era conscient que estava al mateix edifici! De fet, creia que estava als EEUU, ja que col·labora amb molts laboratoris americans”, admet. Garcia Ojalvo és el seu col·laborador ideal, afegeix: té coneixements sobre oscil·lacions i està bastant familiaritzat amb la biologia sintètica. “Està molt ocupat, però, gràcies a que estem al mateix edifici, puc apropar-me al seu despatx i parlar ni que sigui cinc minuts. Això ha facilitat la nostra col·laboració i, de fet, hem publicat un preprint a bioRxiv ja!”, explica la científica.
Ebisuya també forma part d’una nova sèrie mensual de seminaris, el club de biologia del desenvolupament, amb grups de l’EMBL, el DCEXS-UPF, el Centre de Regulació Genómica (CRG) i l’Institut Hospital del Mar d’Investigacions Mèdiques (IMIM). “És molt positiu conèixer els meus veïns!”, conclou Ebisuya.
