La biodiversidad sustenta todos los sistemas de soporte vital en la Tierra. La variedad de animales, plantas y microorganismos, incluida la diversidad genética interna y entre las especies, nos proporciona aire para respirar, alimentos para comer y medicinas para consumir. El presente y futuro de la humanidad depende de nuestra capacidad para entender y proteger la diversidad de la vida en nuestro planeta.
Durante años, la biodiversidad se ha organizado en tres niveles diferentes: ecosistemas, especies y genes. Sin embargo, estos modelos tradicionales no logran captar cómo se relaciona la vida al nivel más fundamental: las células. Estudiar la biodiversidad a este nivel de jerarquía puede desbloquear nuevos y profundos conocimientos sobre la evolución de los organismos vivos e impulsar una nueva generación de terapias avanzadas, tecnologías y estrategias de conservación.
Para comprender la biodiversidad a nivel celular, deben crearse mapas detallados de todos los diferentes tipos de células en muchos organismos diferentes, también conocidos como un atlas celular. Esto requiere recolectar especies en su hábitat natural y encontrar formas de secuenciar todas las transcripciones expresadas dentro de cada una de estas células. Hacer esto a gran escala es un esfuerzo monumental que requiere colaboraciones internacionales que rivalizan con la ambición y el alcance de iniciativas ambiciosas como el Proyecto del Genoma Humano a principios del siglo XXI, y más recientemente, las iniciativas del Earth BioGenome y el Atlas Celular Humano.
Uno de los principales obstáculos para crear atlas celulares para múltiples especies diferentes es que la ciencia aún no ha acordado un conjunto estándar de metodologías para que sea factible la comparación de tipos de células en diferentes especies. El siguiente gran desafío es cómo procesar y almacenar las enormes cantidades de datos generados por los esfuerzos globales en el campo. Estos datos también deberían ser accesibles para la comunidad científica.
Un equipo científico del Centro de Regulación Genómica (CRG) en Barcelona ha dado los primeros pasos para abordar estos dos primeros retos. Dirigidos por el profesor de investigación ICREA Arnau Sebé-Pedrós, los investigadores desarrollarán, probarán y compararán técnicas necesarias para cartografiar tipos de células en muchas especies diferentes. Respaldados por una ayuda de 3,8 millones de dólares de la Fundación Gordon y Betty Moore, el proyecto sentará las bases para la ambiciosa meta de cartografiar la diversidad de tipos de células en la Tierra.
"Nuestro planeta tiene un vasto tapiz viviente de células, cada una con funciones y estructuras especializadas y una historia evolutiva única. Esta financiación es un primer paso audaz para explicar el viaje de cada tipo de célula en la Tierra, conocimiento que puede iluminar cómo estas unidades fundamentales de la vida han evolucionado a lo largo del tiempo y proporcionar nuevas perspectivas sobre la diversidad funcional e interacciones entre organismos", explica el Dr. Sebé-Pedrós.
La Gigantesca Tarea por Delante
Los rápidos avances en tecnologías de secuenciación como la secuenciación de transcriptómica unicelular han hecho posible la creación de atlas celulares a gran escala. Los atlas celulares permiten cuestionar qué está haciendo cada célula en un momento dado. Cada célula en nuestro cuerpo contiene el mismo ADN, pero las diferentes células usan diferentes partes de este ADN. Las partes que una célula usa determinan qué tipo de célula es (como una célula de la piel, una célula sanguínea o una célula nerviosa) y qué trabajo realiza en el cuerpo.
El ARN es el mensajero que porta la información del ADN para la fabricación de proteínas. Al secuenciar el ARN en una sola célula, podemos averiguar qué genes están activos en esa célula. Esto es como saber qué instrucciones está siguiendo y, en última instancia, descubrir la identidad de esa célula. Al utilizar la secuenciación de transcriptómica unicelular, se pueden comprender las historias de muchos miles de células una por una. Esto ayuda a entender qué está haciendo cada célula, información que luego se utiliza para crear mapas detallados de tipos de células, también conocidos como un atlas celular.
Sin embargo, no existe una solución universal para crear atlas celulares en animales, plantas, hongos u otras formas de vida. Cada especie tendrá requisitos específicos para la recolección de muestras, preservación, procesamiento y análisis de datos. Usar un método puede destruir el ARN en células de otra especie y viceversa, lo que lleva a la creación de mapas inexactos. Otro desafío es que la naturaleza de los datos recopilados de una especie significa que no es posible comparar con los atlas celulares de otra.
Para abordar estos desafíos, el equipo utilizará la financiación para probar y comparar metodologías para perfilar atlas celulares en organismos no modelo, creando un "árbol de decisiones" para abordar nuevas especies. Esta tarea será liderada por un equipo dirigido por el Dr. Sebé-Pedrós del Centro de Regulación Genómica junto con el Profesor Tom Richards (Universidad de Oxford), la Dra. Heather Marlow (Universidad de Chicago), el Dr. Jordi Solana (Universidad de Oxford Brookes) y la Dra. Lauren Saunders (Universidad de Heidelberg).
El Dr. Sebé-Pedrós también trabajará con la Dra. Irene Papatheodorou (EBI/Instituto Earlham) para abordar el desafío del análisis de datos, la integración, el almacenamiento y la accesibilidad. Es probable que cada grupo de investigación en todo el mundo esté estudiando diferentes tipos de células en diferentes especies. Los patrones estandarizados aseguran que todos procesen sus datos de la misma manera, por lo que cuando combinen sus datos, encajen y puedan permitir comparaciones precisas y significativas entre estudios. El equipo también creará una base de datos integral para almacenar estos atlas celulares, fomentando el intercambio de conocimientos y la colaboración en todo el mundo.
El Atlas Celular de la Biodiversidad
El objetivo final de los esfuerzos del Dr. Sebé-Pedrós es sentar las bases para el Atlas Celular de la Biodiversidad. Esta es una iniciativa internacional emergente que tiene como objetivo coordinar los esfuerzos globales para cartografiar tipos de células en diferentes y múltiples especies, articulada por primera vez por la comunidad científica en una reunión celebrada en el Centro de Regulación Genómica en Barcelona, en mayo de 2023.
Financiada por el Wellcome Trust, la reunión fue organizada por Arnau Sebé-Pedrós y Roderic Guigó (Centro de Regulación Genómica), Mara Lawniczak (Instituto Wellcome Sanger), Detlev Arendt (Laboratorio Europeo de Biología Molecular), Amos Tanay (Instituto de Ciencias Weizmann) e Irene Papatheodorou (Instituto Europeo de Bioinformática EMBL).
El proyecto es un esfuerzo conjunto de diferentes comunidades de investigación que desarrollan y aplican tecnología de secuenciación de transcriptómica unicelular para construir atlas celulares de organismos modelo, secuenciar genomas de una diversidad de especies y comparar conjuntos de datos de genómica de célula única. En última instancia, los datos transcriptómicos generados por el Atlas Celular de la Biodiversidad se integrarán con otros conjuntos de datos como, por ejemplo, información sobre la accesibilidad de ciertas partes del ADN (cromatina) en las células, o la estructura tridimensional del genoma. Esto ayudará entender cómo se regulan los genes y cómo surgen los tipos de células.
Un Nuevo Viaje de Descubrimiento Biológico
La creación de un Atlas Celular de la Biodiversidad tendría implicaciones profundas en numerosos campos, desde aplicaciones industriales, descubrimiento de fármacos, diseño de sistemas biológicos sintéticos, hasta la comprensión de la evolución de la vida. Comparar tipos de células entre especies y etapas de la vida, ya ha revelado importantes percepciones, las cuales el Atlas Celular de la Biodiversidad eventualmente podría respaldar y ampliar.
Por ejemplo, el Dr. Sebé-Pedrós recientemente creó los primeros atlas celulares para los placozoos, pequeñas criaturas marinas que se originaron en la Tierra hace 800 millones de años. Al comparar los atlas celulares con otros animales como los cnidarios, se descubrieron células similares a las neuronas en los placozoos. Dada la posición filogenética de los placozoos, es posible que hayan servido como el modelo para los sistemas nerviosos en animales más complejos, incluidos los humanos.
"Ya hemos realizado descubrimientos notables en la arquitectura celular de la vida, pero estos han sido principalmente el resultado de esfuerzos individuales de diferentes grupos de investigación en todo el mundo. Unificar estos empeños en un esfuerzo colaborativo y cohesivo, puede amplificar exponencialmente el valor potencial de nuestro trabajo, abriendo la puerta a descubrimientos sin precedentes en la comprensión de la diversidad y evolución de la vida", concluye el Dr. Sebé-Pedrós.
Imagen: Imagen de microscopía confocal de placozoos, uno de los tipos de animales para los que los investigadores del CRG han creado atlas celulares. Crédito: Sebastian Najle
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