Escutoides: la nueva forma geométrica de la naturaleza

El hallazgo de los escutoides, una nueva forma geométrica presente en algunos de nuestros tejidos, ha revelado cómo se organizan las células que los conforman. En el futuro, este avance podría facilitar el desarrollo de órganos sintéticos.

A principios de agosto de 2018, el que es posiblemente el talk show más famoso de la historia de la televisión, que conduce Stephen Colbert en la cadena CBS, abrió con el habitual y desternillante monólogo inicial que, como no podía ser de otra manera, versó principalmente sobre el presidente Donald Trump. No obstante, concluyó con una gran noticia científica: se había descubierto una nueva forma geométrica. La intervención de Colbert continuó, fiel a su estilo, con varios chistes sobre el hallazgo, entre ellos que tras él seguramente se encontraba el gigante de los juguetes Fisher-Price. Nada más lejos de la realidad. El mérito es de un equipo interdisciplinar de dieciséis

científicos españoles de primera línea.

 

En un artículo publicado en la revista Nature Communications, estos afirman que tal avance les permitió dar con la solución a uno de los grandes misterios de la fisiología celular. Los investigadores, coordinados por Luis María Escudero, del Departamento de Biología Celular de la Universidad de Sevilla y del Instituto de Biomedicina de esta ciudad, se preguntaban cómo se asocian las células para generar los tejidos, que conforman un andamio tridimensional, uniforme y sin fisuras. Su interés se centraba en uno muy concreto cuya estructura nadie había conseguido explicar satisfactoriamente hasta la fecha: el epitelio.

 

Este recubre las cavidades de nuestro cuerpo; también se encuentra en nuestros órganos y en la piel. En esencia, es como una capa que nos protege de la erosión mecánica, la pérdida de agua por evaporación y otras muchas agresiones, y, al mismo tiempo, evita que nos invadan los virus, las bacterias, los hongos o los parásitos. Es más, podría decirse que el epitelio nos hace humanos. No solo configura nuestra forma física, sino que está plagado de terminaciones nerviosas, por lo que nos permite sentir las caricias, los golpes, el frío o el calor.

 

Muy probablemente, ninguno de nosotros hayamos ido al médico aduciendo de entrada que creemos padecer una enfermedad epitelial. Pero las hay y pueden ser muy molestas. Entre ellas se encuentran el acné, la psoriasis, la calvicie, los eczemas, las urticarias, las dermatitis, el pie de atleta e incluso las verrugas. Otras son mucho más graves, como las metaplasias y los melanomas. El simple hecho de tratar de saber más sobre su origen justifica que muchos grupos de investigación, incluido el capitaneado por Escudero, hayan venido estudiando con ahínco esta estructura.

 

El problema de su andamiaje tridimensional lleva discutiéndose en la comunidad científica desde hace tiempo con relativo éxito. En general, se han asociado distinta formas geométricas para las células de cada tipo de tejido epitelial: cúbica, cilíndrica, plana, pseudoestratificada... Pero todas estas soluciones son aproximaciones, ya que no terminan de explicar adecuadamente el modo en que se agrupan. Se trata de un asunto mucho más complejo de lo que parece, que traspasa las capacidades de los expertos en biología celular.

 

Para complicar más las cosas, tenemos el caso de la mosca de la fruta. De este bichito se sabe que sus células epiteliales parecen enroscarse, además, en forma de botella. ¿Cómo es posible cumplir con tantos requisitos bioarquitectónicos? En todo ello parecía tener algo que ver algún elemento relacionado con el equilibrio y la geometría, por lo que los matemáticos podrían arrojar algo de luz en esta cuestión.

 

Entre el Instituto de Biomedicina de Sevilla y la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Informática de la urbe hay poco más de quince minutos a pie. Esta relativa cercanía, más una mentalidad científica abierta y curiosa, catalizaron el encuentro entre el equipo de Escudero y el de Clara Grima y Alberto Márquez, del Departamento de Matemática Aplicada, también de la Universidad de Sevilla. ¿Y qué tenían Grima y Márquez que pudiera ser de interés para la resolución del problema de la organización celular? La respuesta es que son expertos en los denominados diagramas de Voronoi.

 

A grandes rasgos, estos permiten dividir el espacio en regiones a partir de unos puntos iniciales, de modo que todos los demás puntos que las integran se encuentran más cerca del original que les corresponde que de ningún otro. Para explicarlo, Grima utiliza una metáfora relacionada con el patio de un colegio. Este estaría dividido en zonas, cada una de ellas perteneciente a un niño.

 

Gracias a las fronteras que marca ese diagrama imaginario podríamos saber a cuál de ellos pertenecería, por ejemplo, un caramelo que cayera inesperadamente del cielo. Es cierto que en este caso sería posible distinguirlo a simple vista, pero existen desafíos mucho más complejos para los que un diagrama de Voronoi viene como anillo al dedo.

 

Por ejemplo, una variante primitiva de esta herramienta matemática ayudó a frenar un brote de cólera en Londres en 1854. En esa ocasión, el médico John Snow realizó una subdivisión de la metrópolis de una manera muy parecida a un diagrama de Voronoi. Comenzó mapeando los lugares donde se encontraban fuentes públicas. Los puntos iniciales de su mapa estaban constituidos por estos surtidores. El resto de puntos de su diagrama del cólera eran aquellos enclaves donde se había manifestado la dolencia. Partiendo de estos datos, determinó que el surtidor de la calle Broad era el culpable de la muerte de más de medio millar personas. No solo identificó el punto exacto, sino que tal cosa ayudó a determinar que las aguas en mal estado favorecían la transmisión de la enfermedad. Desde entonces, se han empleado aproximaciones similares en muy distintos campos.

 

En el caso que nos ocupa, los científicos observaron que las células del epitelio parecían seguir una distribución poligonal muy parecida a la de un mapa de Voronoi. Es como si la formación de tejidos se ajustara a los dictámenes de las matemáticas, una relación que, por otra parte, también aparece en la dinámica newtoniana, la relatividad general, la mecánica cuántica, la hidrodinámica… A continuación, los investigadores se hicieron una pregunta que acabaría siendo fundamental: si la técnica de Voronoi sirve, entre otras cosas, para delimitar zonas de actuación en un plano, ¿sería posible llevar esta cualidad a las tres dimensiones?

 

Esto es, si los mencionados diagramas parecen dar correcta cuenta de la distribución celular en un tejido 2D, ¿podría existir uno similar en 3D? O, dicho de otra forma, si apilamos las células desde las capas más externas a las más profundas y cada una quedase correctamente descrita por un teselado concreto, ¿no podríamos conectarlos y ya está? Desde luego que sí, pero añadir una dimensión a un problema es algo más complejo que sumar 2 más 1. Por ejemplo, dos planos del epitelio –llamados típicamente plano apical y plano basal– no tienen por qué ser coincidentes: por encima o por debajo de una célula no tiene por qué haber otra exactamente igual, que cubra la misma área y delimite una región de Voronoi idéntica. Si así fuera, el misterio estaría resuelto. Sería fácil encajar célula con célula con las teorías y figuras geométricas que ya conocemos.

 

Las células tendrían configuraciones familiares, como pirámides, pirámides truncadas, troncos, prismas o prismatoides. Pero esto no ocurre. Entonces, si estos sólidos clásicos no sirven, ¿cuáles serían? La respuesta es los escutoides. Esta nueva figura geométrica se corresponde con el sólido que podemos trazar entre dos regiones de Voronoi paralelas –en el eje vertical–, pero que, como hemos comentado, no son necesariamente coincidentes. Hasta aquí estaríamos recitando prácticamente la definición de un prismatoide.

 

La originalidad de los escutoides radica en que una de sus uniones verticales tiene forma de Y, por lo que pueden retorcerse a lo largo de este eje y conectar células con regiones poligonales distintas. Es decir, con un escutoide podemos pasar de un hexágono en la cara apical a un pentágono en la basal. De igual manera, las caras de los escutoides pueden ser convexas o cóncavas, lo que les permite expandirse o contraerse para llenar todo el espacio entre dos mallas de Voronoi paralelas. Los escutoides parecen explicar el armazón epitelial, pero falta un detalle: estas estructuras no solo deben ser la solución a este asunto desde el punto de vista geométrico. Todo sistema físico, incluido el tejido epitelial y sus ahora desentrañadas células escutoidales deben tender a lo que tiende todo en el universo: a hacer el vago lo máximo posible.

 

Siendo estrictos, los físicos aplican el concepto de minimización de energía a esta obsesión muy propia de la naturaleza. Consiste en que todo cuerpo o sistema se ve compelido a hacer el menor trabajo según las circunstancias.

 

Veamos un ejemplo: ¿por qué una pompa de jabón tiene forma esférica y no la de un gatito? Pues porque es la configuración que consume menos energía y la que la hace más estable y, consecuentemente, la dota de una mayor longevidad. ¿Y qué tiene que ver la vagancia de la naturaleza con los escutoides? El físico Javier Buceta, del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de Lehigh (EE. UU.), ha sido el encargado de demostrar mediante modelos computacionales que, además de ser los sólidos que mejor podrían construir el tejido epitelial, son los que lo hacen gastando la mínima energía. Es decir, constituyen la forma geométrica que, dada su función, es más compatible con una de las leyes fundamentales de la física.

 

Resulta irónico: esta es la enésima vez que un físico da cuenta, con su esfuerzo, de las pocas ganas que tiene el universo de levantarse del sofá.

 

Al final, y por extraño que parezca, todos estamos hechos de escutoides, una forma geométrica desconocida hasta hace poco cuyo hallazgo, según explicó Escudero a BBC Mundo, podría facilitar en el futuro la creación de órganos sintéticos. Así las cosas, y como comentaba Stephen Colbert en su programa, bien merecen un salpimentero con su forma, ¿no?