Diego Rasskin y Borja Esteve: «Aportamos una idea moderna de una vieja idea anatómica del siglo XIX»

Investigadores del grupo de Biología Teórica del Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biología Evolutiva de la Universitat de València

fotos-diego-raskin
fotos-diego-raskinPepa Granados
Diego Rasskin Gutman, en su despacho, conversando por Skype con Borja Esteve Altava.

Diego Rasskin Gutman es doctor en Biología y el investigador responsable del Grupo de Biología Teórica del ICBiBE (Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biología Evolutiva, Universitat de València). A este grupo pertenece también Borja Esteve Altava, doctorado recientemente por la Universitat de València. Gracias a los resultados obtenidos en la tesis de Borja Esteve, dirigida por el doctor Diego Rasskin, y a través de un análisis matemático en red, han presentado una estructura anatómica del cráneo organizada en diez módulos. El estudio se publicó el pasado mes de febrero en la revista Scientific Reports. Con motivo de esta publicación, y con la intención de conocer más sobre los métodos y posibilidades de estudio que ofrece la biología teórica, ambos nos concedieron una entrevista en su departamento del ICBiBE.

En su último estudio presentan una anatomía del cráneo estructurada en diez módulos. Esta vez, a diferencia de otros estudios anteriores, se han incluido músculos y cartílagos, además de huesos. ¿Cómo han logrado esta modulación más integrativa con estos tres elementos?
Diego Rasskin: Nosotros trabajamos con un método de formalización de las estructuras anatómicas que está basado en la teoría del ajedrez. Para ello, hemos analizado los huesos de los cráneos en vertebrados utilizando un método de abstracción en el que cada hueso es representado por un nodo y una sutura, una articulación o una conexión entre huesos por una conexión entre nodos. Una vez tienes esa red formada, analizas sus propiedades matemáticas, que dan lugar a un análisis de modularidad en el que se puede ver cómo están compartimentados los espacios dentro del cráneo. En el último año, gracias a la colaboración de la Howard University (EEUU) y la University of Saskatchewan (Canadá), hemos empezado a incorporar también tejidos blandos para tener una red más completa. Utilizando la misma metodología, formalizando cada elemento anatómico como un nodo y cada conexión entre estos elementos como una conexión entre nodos, haciendo posteriormente un estudio de red matemático, hemos logrado un análisis más extensivo de la cabeza humana.

¿Ha sido necesaria una recopilación e introducción de muchos datos anatómicos para poder trabajar con ella?
D. Rasskin: Para este estudio de AnNA (Anatomical Network Analysis) en concreto sí que fue necesaria una recopilación de datos anatómicos. Más allá de la conexión de los huesos, también se tuvo que hacer un análisis de todas las conexiones entre músculos, que se llevó a cabo en la Howard University. El resultado total son 412 interacciones físicas de 181 nodos.
Borja Esteve: La herramienta matemática ya existe y se aplica a muchos otros campos como la epidemiología, la ecología, la genética… La matemática está muy bien desarrollada. Nosotros simplemente incorporamos todas las herramientas que eran útiles para estudiar un sistema anatómico, cómo las partes del cuerpo se relacionan entre ellas y cómo interpretar los resultados. Esto último ha sido lo que más nos costó al principio, entender los números que estaban saliendo del análisis.

En biología teórica se le concede mucha atención al concepto de la modularidad de procesos y estructuras para entender mejor la dinámica de la evolución. ¿Qué se entiende por modularidad y qué ha permitido conocer este estudio sobre la evolución del cráneo?
B. Esteve: La idea básica de modularidad es que todas las relaciones que existen entre los elementos de la cabeza o de cualquier parte del cuerpo –aunque también es así en cualquier ecosistema o en un sistema genético– determinan tus dependencias. Si te falla una relación puedes salir perjudicado o puede que te abra la puerta a nuevas relaciones. Igual que en las relaciones sociales. Los grupos que nosotros identificamos como elementos de la cabeza –en este caso músculos, cartílagos y huesos– que están muy relacionados entre ellos, es decir, que son muy dependientes los unos de otros, son los módulos. Estos mismos módulos van a seguir unidos durante la evolución y se desarrollarán y funcionarán juntos. Una de las cosas interesantes que vimos en este estudio es que no había una división entre elementos según su desarrollo o según su función, sino que era un acoplamiento de las dos cosas.
D. Rasskin: En cualquier caso, el concepto de modularidad no es simplemente un concepto que se maneja en biología teórica. Hoy en día, la modularidad es un concepto que está bastante en boga en el análisis evolutivo, en el análisis de biología del desarrollo y también en el análisis donde se encuentran ambas cosas, lo que se conoce como análisis evo-devo.

¿Cómo podría ayudar este tipo de estudios a entender mejor algunas transiciones evolutivas?
D. Rasskin: Al ser mayores las dependencias que tienen entre sí los elementos de un módulo que con cualquier otra parte del sistema, se genera una semi-independencia evolutiva. Esto quiere decir que cualquier cambio que pueda ocurrir, como una mutación genética por ejemplo, se encuentra circunscrito a ese módulo. De esta manera, a lo largo del tiempo estas estructuras le confieren al sistema la posibilidad de cambiar de tal manera que, cuando cambia lo que ocurre en un módulo, no cambia lo que ocurre en el resto del sistema. Es una herramienta interesante para los llamados análisis de evolvabilidad, es decir, la posibilidad de que las especies cambien y pasen ese cambio a su descendencia. En este sentido, nosotros aportamos nuestro granito de arena a la teoría evolutiva general analizando cómo la morfología y la estructura restringen las posibilidades de cambio de las especies.
B. Esteve: A nivel de transiciones evolutivas concretas, puedo anunciar que me han concedido una beca Marie Curie para estudiar la transición evolutiva de la aleta en los vertebrados acuáticos previa a la transición a la tierra y a los primeros vertebrados terrestres. Se trabajará, en este caso, en extremidades: estudiando fósiles, haciendo reconstrucciones, etc. Podremos poner en práctica lo aprendido para estudiar como cambian estas estructuras provocando un cambio tan grande en cuanto a su función y hábitat.

¿Pueden estos estudios anatómicos con herramientas matemáticas suponer una nueva herramienta para la medicina?
D. Rasskin: Sin duda. Nosotros aportamos una idea moderna de una vieja idea anatómica del siglo xix. Una de las ideas básicas que se hereda de autores como Georges Cuvier y Étienne Saint-Hilaire es que la relación entre los elementos es muy importante. Además, es más importante dónde está un elemento en relación a los demás, para identificarlo en un análisis comparado, que su forma. Esta idea que ha estado dando vueltas por la biología comparada, por la biología evolutiva o por la biología del desarrollo durante 150 años nunca había sido aplicada de manera sistemática y con una herramienta matemática detrás. Y esto es lo que estamos haciendo nosotros: recuperar una idea anatómica clásica de manera que pueda ser operativa, que se pueda utilizar en anatomía de manera general. En este sentido, nuestro trabajo incide directamente en poder sacar nuevas relaciones y nuevas ideas que tengan interés tanto en la anatomía comparada de los animales como en la anatomía médica humana. De hecho, ahora estamos trabajando en un artículo sobre la morfología que se produce en el cráneo de fetos humanos que tienen trisomías muy graves, y lo estamos estudiando desde el punto de vista del análisis de las redes y su relación con cráneos normales. Otro de los trabajos que hemos publicado, utilizando nuestra herramienta matemática, es sobre el problema de la craneosinostosis, el cierre prematuro de las suturas craneales, que provoca transformaciones morfológicas en los huesos del cráneo del feto. Poco a poco vamos demostrando que utilizando AnNA se pueden sacar ideas importantes.

Otros estudios en los que pretende centrarse la biología teórica son los modelos multiescala, como el análisis de la traslación de la información genética a la morfología. ¿Cómo agrupar estos niveles tan separados?
D. Rasskin: Utilizamos las suturas como elemento de nuestro sistema, es decir, como conexión entre nodos en una red. Las suturas no son solamente un nombre que identifica esta conexión física entre dos huesos, sino que también son sitios de crecimiento que, además, están determinados genéticamente por una serie de factores de crecimiento ­–una serie de genes– que se estudian de manera sistemática. Hay modelos de ratones que tienen estos genes mutados y es posible observar qué ocurre durante el crecimiento. Por tanto, estos estudios multiescala se pueden estudiar directamente. Esto es, se puede estudiar qué es lo que pasa cuando un gen se está expresando de manera anómala, qué pasa con la sutura, qué pasa con la red en general y qué pasa con la morfología de alguno de los elementos en particular. Esto también incide sobre la función y sobre el comportamiento, es decir, todas las escalas biológicas se pueden integrar más o menos de manera eficiente. En este sentido la conectividad es un nivel más dentro de esta escala, un nivel morfológico distinto del nivel morfológico de la forma o del nivel morfológico del tamaño.
B. Esteve: Lo interesante de esto es que la genética que determina la formación de una sutura, que es una conexión en nuestra red morfológica, es a su vez una red de genes interactuando para decidir que hay otra red arriba y cómo es. Una de las cosas más bonitas de los análisis de redes es que puedes, incluso con la misma herramienta matemática, analizar todas las escalas biológicas. Esto es así porque la red genética va a determinar las conexiones de tus partes del cuerpo, y a la vez tu cuerpo va a ser tu vía de interactuar con otros cuerpos en una red social, y esa red social en una red ecológica.

¿Cómo va a afectar el desarrollo en computación a este tipo de estudios?
B. Esteve: Por ahora ya lo ha supuesto enormemente, ya que estos análisis no podrían hacerse sin los ordenadores de ahora.
D. Rasskin: Lo que sería interesante desde el punto de vista tecnológico dentro del campo de AnNA sería una herramienta que facilitase la abstracción del cráneo directamente en una red, es decir, que no hubiese que hacerlo a mano.
B. Esteve: Aún hay un proceso artesanal en el proceso que es mirar la cabeza y decir: aquí hay una conexión y aquí no. Si eso se pudiera hacer de forma automática mediante programas de imagen sería fantástico. Eso ya es posible, no necesita ningún avance tecnológico, solo tiene que hacerlo alguien.

¿Qué papel tiene o va a tener la biología teórica en el desarrollo de nuevas disciplinas como la biología sintética o la biología de sistemas?
D. Rasskin: En algunos sentidos la biología teórica, la de sistemas y la sintética se llegan a tocar. Sin embargo, tanto la biología de sistemas como la biología sintética han seguido un camino muy particular. La biología teórica está muy interesada en formalismos y en modelos y, aunque en estas otras disciplinas también se utilicen formalismos y modelos, la biología sintética y de sistemas son mucho más aplicadas y tienen un sesgo mucho más molecular. Los problemas tratados en estos dos campos son muy específicos, mientras que la biología teórica trata problemas más globales y sus formalismos y metodología son mucho más inclusivos. Esto provoca que puedan ser incluidos en varios niveles de estudio. No obstante, en biología teórica trabajamos sobre anatomía comparada con una metodología de redes que también se utiliza en otras disciplinas como biología de sistemas, lo que habla bien de la metodología [risas]. Hoy por hoy las tres disciplinas siguen su propio camino.

¿Y fuera de la biología, en nuevas disciplinas como la robótica?
D. Rasskin: Sin duda. Todo lo que tiene que ver con la vida artificial, la robótica, los autómatas celulares, todo esto forma parte de toda una idea de biología teórica que surge en los años 60. Y a pesar de que también sigue su propio camino, se incluyen mucho más que los anteriores dentro de la biología teórica.

Y ya para terminar, ¿siguen riéndose los biólogos de un elefante circular? [Metáfora atribuida al biomatemático Lee Segel para criticar la posición de los biólogos hacia la biología teórica]
D. Rasskin: [risas] Muchos sí, lamentablemente. Pero, por otro lado, gracias a que han surgido otras disciplinas como la biología sintética y la biología de sistemas con mucha fuerza, son cada vez menos. Desgraciadamente es un problema histórico de la biología el que algunos biólogos cuando ven asunciones que no son biológicas, sino que son más bien parecidas a la física, como «sea un elefante circular…», se echan para atrás. Sin embargo, un elefante circular tiene su mérito. Por ejemplo, si quieres estimar grosso modo su volumen o su superficie corporal. Son conceptos de los que durante mucho tiempo muchos biólogos se han reído o no han querido meterse en ello, pero gracias a que otros campos han abrazado el uso de modelos y herramientas matemáticas cada vez va a mejor.

Juli Zacarés Perea. Graduado en Biologia. Estudiante del Master en Historia de la ciencia y comunicación científica (UV).
© Mètode 2015.

 

«La idea básica de modularidad es que todas las relaciones que existen entre los elementos de la cabeza o de cualquier parte del cuerpo determinan tus dependencias»
(Borja Esteve)

«Aportamos nuestro granito de arena a en la teoría evolutiva general analizando cómo la morfología y la estructura restringen las posibilidades de cambio de las especies»
(Diego Rasskin)

«Una de las cosas más bonitas de los análisis de redes es que puedes, incluso con la misma herramienta matemática, analizar todas las escalas biológicas»
(Borja Esteve)

«Gracias a que han surgido otras disciplinas como la biología sintética y la biología de sistemas con mucha fuerza, son cada vez menos los biólogos que aceptan asunciones que no son biológicas»
(Diego Rasskin)

 

 

© Mètode 2015

Biólogo y Máster en Historia de la ciencia y Comunicación Científica.