Caenorhabditis elegans

Caenorhabditis elegans, és un cuc diminut de terra que des de fa més de 40 anys també viu entre les parets de laboratori. En les últimes dècades, ha arribat el prestigi d'organismes de major tradició, com la mosca de l'vinagre o el ratolí. Ha estat utilitzat per estudiar la genètica de el desenvolupament i el sistema nerviós. Darrerament, també està fent aportacions en el coneixement de les causes de l'envelliment, de la mort cel·lular i de l'estructura de l'genoma. La seqüència del seu genoma com a primer organisme pluricel·lular es va publicar el 1998 i si bé per a aquell llavors presentava alguns buits, avui es considera completa. Amb prop de 20000 gens, la distància que separa aquest cuc de l'ésser humà (amb uns 30000) sembla escurçar-se.

C. elegans és un cuc de poc més d'un mil·límetre de longitud que viu a terra. S'alimenta de microorganismes i micronutrients i en ocasions ha de suportar períodes on l'aliment és escàs. És un animal invertebrat que pertany a la classe dels nematodes o cucs de cos cilíndric i sense segmentar. Dins el mateix grup, hi ha espècies terrestres i aquàtiques de vida lliure. També hi ha nombrosos exemples de vida paràsita com els ascàrides causants d'infeccions en humans i animals.

És un organisme pluricel·lular en forma de tub allargat que s'aprima en els extrems. Tot el cos està recobert per una fina cutícula exterior. Les cèl·lules estan organitzades formant òrgans i sistemes bastant simples. Té un sistema digestiu format per estoma (o boca), faringe i intestí. També disposa d'òrgans sexuals (gònades) i un rudimentari sistema nerviós. Tot i no presentar ulls té certa capacitat per percebre intensitats lluminoses. El seu cos és transparent, el que permet visualitzar amb tècniques de microscòpia diferents processos biològics.

Els adults poden presentar dues formes sexuals lleugerament diferents: el hermafrodismo, en la qual els individus presenten els òrgans sexuals propis dels dos sexes, i la masculina. En el primer cas, que són la majoria, tenen oviductes, ovaris i una cavitat per emmagatzemar l'esperma. Un petit percentatge d'individus es converteixen en mascles, els quals disposen d'una cua copuladora. La reproducció entre mascles i hermafrodites afavoreix una major variabilitat genètica de la població. Per això, en presència de mascles, aquests són els protagonistes de la còpula i en la seva absència, els hermafrodites s'autofecundan.

El cicle de vida de C. elegans és molt ràpid. Des que es produeix l'ou fins a arribar a la maduresa sexual passen entre tres i cinc dies; l'adult sol viure entre dues i tres setmanes i posar entre 200 i 300 ous. La distribució d'aquesta espècie és bastant àmplia, de preferència per les zones de clima temperat. A priori és una espècie sense importància econòmica per a l'ésser humà, però el seu paper actual en l'àmbit de la investigació qüestiona aquesta afirmació.

historia

La introducció de C. elegans al laboratori va ser relativament tardana si es compara amb la de la mosca de l'vinagre o la de l'ratolí. Es va produir en la dècada dels 60 en el Laboratori de Biologia Molecular de l'Medical Research Council, a Cambridge, Regne Unit. Sidney Brenner va escollir aquest nematode com a nou organisme model per la seva futura recerca. Prèviament, aquest investigador havia realitzat estudis en el camp de la genètica de bacteris i fags (virus dels bacteris). Un cop establerts els principis fonamentals de la biologia molecular, la dècada anterior, Brenner va decidir dirigir l'atenció a processos biològics de major complexitat. En aquest context, C. elegans va ser triat per investigar el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars i, en concret, de el sistema nerviós.

Per a la dècada dels 60 ja s'havien elucidat les fites més importants de la biologia molecular. S'havia determinat que l'ADN era el material genètic, l'estructura de doble hèlix de l'ADN i desxifrat el codi genètic gràcies a organismes model molt simples com els bacteris i els virus. Per a aquest moment, molts investigadors van considerar que calia anar més enllà i investigar processos de major complexitat com el desenvolupament o els processos neuronals. Però en aquest context, els bacteris i els virus ja no resultaven útils, tampoc els llevats. La mosca de la fruita i el ratolí, en canvi, amb els que feia temps que treballava al laboratori, eren potser massa complexos. Calia buscar altres éssers més adequats, éssers pluricel·lulars amb una mínima complexitat.

L'elecció d'un organisme model

Tot i que en principi qualsevol ésser viu pot ser un organisme model, en la pràctica la creació d'un nou model de laboratori és una tasca força difícil. D'una banda, cal trobar l'ésser adequat per estudiar un problema científic, després veure si aquest és apte per al laboratori (mitjans de cultiu) i desenvolupar les tècniques adequades per al seu estudi. Finalment, la consolidació d'un nou organisme model també té a veure amb la creació d'una comunitat d'investigadors que comparteix els coneixements generats i treballa de manera cooperativa.

a elecció de Sidney Brenner de treballar amb C. elegans va ser molt meditada. El seu objectiu era arribar a entendre completament un organisme simple que alhora fos representatiu d'altres espècies. Calia buscar entre els organismes simples aquells que presentessin estructures de mínima complexitat. Va ser així que aquesta espècie es va situar entre la llista de candidats, juntament amb 60 espècies de nematodes entre els quals hi havia un parent seu anomenat Caenorhabditis briggsae. Es va triar C. elegans per la seva simplicitat i invariància en el desenvolupament i per qüestions pràctiques de laboratori: es coneixien bé els seus requeriments i sexualitat perquè havien estat estudiats per Ellsworth C. Dougherty i Victor Nigon.

Apto para el laboratorio

La gran capacidad de C. elegans para adaptarse a las condiciones de laboratorio le identificaron como el mejor de los candidatos para abordar lo que se consideraba la última frontera del conocimiento: el sistema nervioso. Se podía cultivar fácilmente sobre placas de Petri en agar rico en Escherichia coli, tenía un tamaño suficientemente pequeño que permitía tener hasta un centenar de gusanos por placa y se podía observar al microscopio electrónico. Además, su peculiar sistema de reproducción era ideal para realizar estudios genéticos fácilmente controlables que podían aislar los hermafroditas para hacer cruces puros o crear nuevo material genético mediante el cruce con los machos

Una de las peculiaridades de este gusano es que tiene un número definido y determinado de células. En 1983 John Sulston, Robert Horvitz y otros investigadores determinaron que el adulto de C. elegans tenía un linaje completo de 959 células somáticas, que se mantenía de animal a animal. Este hecho hacía posible conocer el destino de cada una de las células y con la técnica de ablación celular con láser establecer las pautas de desarrollo del organismo completo. La ventaja de tener un número de células fijo es, curiosamente, una característica atípica en la naturaleza.

Perder 131 células por el camino

959 es el número de células que contiene el nematodo adulto. Pero en los estadios iniciales de desarrollo, C. elegans tiene un centenar más de células. Concretamente, tiene 1090 células de las cuales 131 mueren, de forma invariable, durante el desarrollo. Este hecho se descubrió en 1976: en el proceso de mapear el linaje de las 1090 células de C. elegans, John Sulston y Robert Horvitz observaron que durante el desarrollo del gusano 131 células morían de manera coordinada y programada. Eso puso en evidencia que el fenómeno de la muerte celular programada es esencial y necesario para la vida de los organismos. En el gusano se han identificado 14 genes implicado en este proceso llamados ced (C. elegans death). Entre estos, ced-3 y ced-4 son necesarios para la destrucción de esas 131 células.

Una de las principales conquistas de la investigación con C. elegans fue 'dibujar la mente del gusano'. A través de una sucesión de cortes observados al microscopio, la idea era ver todos los nervios y las conexiones sinápticas del gusano. John White y Nichol Thompson analizaron 20000 micrografías electrónicas y trazaron aproximadamente 8000 conexiones de las 302 neuronas del gusano. A pesar de que de la estructura no siempre se corresponde la función, esta investigación que se conoce con el nombre de "wiring diagram" fue el intento más logrado de comprender los circuitos sinápticos del sistema nervioso en el gusano.

Tras 40 años, el gusano de nombre impronunciable (en el ámbito científico se le conoce como C. elegans o simplemente como "el gusano") tiene un lugar asegurado en el laboratorio. Por un lado, ha ampliado los horizontes de la biología molecular: desde el desarrollo y el sistema nervioso a campos de relevancia biomédica como es investigar las causas del envejecimiento, la muerte programada de las células o la respuesta neuro-inmune. Por otro lado, el hecho de que la secuencia de su genoma fuera de las primeras en publicarse (1998), situó al discreto nematodo como uno de los animales referencia para entender el genoma humano. Hoy, esta tarea prosigue con los estudios de la genómica funcional y el impulso de otras "ómicas".

...