Coliflor y caos, fractales en cada florete

Los monjes alguna vez esperaron convertir el plomo en oro mediante la alquimia. Pero considere la coliflor en su lugar. Solo se necesitan dos genes para transformar los tallos, tallos y flores ordinarios de la especie de malas hierbas e insípida Brassica oleracea en una formación tan maravillosa como esta verdura fractal, similar a una nube.

Esta es la verdadera alquimia, dice Christophe Godin, investigador principal del Instituto Nacional de Investigación en Ciencia y Tecnología Digitales en Lyon, Francia.

El Dr. Godin estudia la arquitectura vegetal modelando virtualmente el desarrollo de las formas de diferentes especies en tres dimensiones. Se preguntó qué modificación genética acechaba detrás de las espirales anidadas de la coliflor y los fractales chartreuse logarítmicos de Romanesco, una variedad de coliflor que casi podría confundirse con un cristal.

“¿Cómo puede la naturaleza construir objetos tan inesperados?” preguntó. “¿Cuáles pueden ser las reglas detrás de esto?”

Hace quince años, el Dr. Godin conoció a François Parcy, un biólogo de plantas del Centro Nacional de Investigación Científica en Grenoble, Francia. En Dr. Parcy, el Dr. Godin reconoció a un compañero demonio por las flores fractales.

“No hay forma de que no puedas notar que es una verdura tan hermosa”, dijo el Dr. Parcy, en referencia al Romanesco.

Animados por la pasión por Brassica, el Dr. Godin y el Dr. Parcy investigaron el misterio genético de la geometría fractal tanto en el Romanesco como en la coliflor estándar, conjurando las plantas en modelos matemáticos y también haciéndolas crecer en la vida real. Sus resultados, que sugieren que los fractales se forman en respuesta a cambios en las redes de genes que gobiernan el desarrollo floral, se publican el jueves en Science.

“Es una integración tan agradable de la genética por un lado y un modelo riguroso por el otro”, dijo Michael Purugganan, biólogo de la Universidad de Nueva York que no participó en la investigación. “Están tratando de demostrar que al modificar las reglas de cómo interactúan los genes, se pueden obtener cambios dramáticos en una planta”.

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A principios de la década de 2000, el Dr. Parcy creía que entendía la coliflor. Incluso impartió clases sobre el desarrollo de sus flores. “¿Qué es una coliflor? ¿Cómo puede crecer? ¿Por qué se ve así? ” él dijo.

Las coliflores, como las coles de Bruselas, provienen de siglos de cría selectiva de Brassica oleracea. Los seres humanos cultivaron coles de Bruselas para los brotes laterales y coliflor para los racimos de flores. Las coliflores, sin embargo, no producen botones florales; sus inflorescencias, o brotes con flores, nunca maduran para producir flores. En cambio, las inflorescencias de coliflor generan réplicas de sí mismas en una espiral, creando grupos de cuajada como el requesón a base de plantas.

Mientras los dos investigadores discutían la coliflor, el Dr. Godin sugirió que si el Dr. Parcy realmente entendía la planta, debería ser fácil modelar el desarrollo morfológico de la verdura. Resultó que no lo era.

Los dos primero se enfrentaron al lodazal cuajado en la pizarra, esbozando varios diagramas de redes genéticas que podrían explicar cómo el vegetal mutó a su forma actual. Su musa fue Arabidopsis thaliana, una hierba bien estudiada de la misma familia que la coliflor y sus muchas primas.

Si una coliflor tiene una sola coliflor en la base de la planta, Arabidopsis tiene muchas estructuras parecidas a coliflores a lo largo de su tallo alargado. Pero, ¿qué genes podrían refinar estas coliflores menores en una coliflor grande y compacta? Y si identificaron esos genes, ¿podrían deformar estas coliflores en los picos que forman los romanescos?

Para responder a estas preguntas, los investigadores modificarían la red de genes y la ejecutarían a través de modelos matemáticos, la generarían en 3-D y la mutarían en la vida real. “Te imaginas algo, pero hasta que no lo programes no sabes cómo se verá”, dijo el Dr. Parcy.

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(Durante el transcurso de la investigación, el Dr. Parcy también recolectó varios especímenes de Romanesco del mercado de agricultores local, los secuenciaron y diseccionaron. Luego, él y sus colegas cenaron las sobras, la mayoría de las veces crudas con diferentes salsas, junto con vasos de cerveza. .)

Muchos modelos iniciales fracasaron y se parecieron poco a las coliflores. Al principio, los investigadores creían que la clave de las coliflores estaba en la longitud del tallo. Pero cuando programaron Arabidopsis con y sin tallo corto, se dieron cuenta de que no necesitaban reducir el tamaño del tallo de las coliflores, ni en los modelos 3-D ni en la vida real.

Y las coliflores que simularon y cultivaron simplemente no eran lo suficientemente fractales. Los patrones eran visibles solo en dos escalas fractales, como una espiral anidada en otra espiral. Por el contrario, una coliflor normal a menudo muestra auto-semejanza en al menos siete escalas fractales, es decir, una espiral anidada en una espiral anidada en una espiral anidada en una espiral anidada en una espiral anidada en una espiral anidada, en última instancia, en otra espiral.

Entonces, en lugar de enfocarse en el tallo, se concentraron en el meristemo, una región de tejido vegetal en la punta de cada tallo donde las células en división activa producen un nuevo crecimiento. Plantearon la hipótesis de que hacer que el meristemo sea más grande aumentaría el número de brotes producidos.

El único problema era que los investigadores no sabían qué gen podría controlar el ritmo de producción de brotes del meristemo.

Un día, Eugenio Azpeitia, entonces becario postdoctoral en el laboratorio del Dr. Godin, recordó un gen que se sabía que cambiaba el tamaño de la zona central del meristemo. Los tres investigadores disfrutaron de un breve momento de euforia y luego esperaron pacientemente durante meses a que creciera su Arabidopsis recién modificada. Cuando brotaron los brotes, tenían coliflores con puntas cónicas distintas.

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“Recuerda mucho a lo que ocurre en el Romanesco”, dijo con orgullo el Dr. Godin.

Normalmente, cuando una planta brota una flor, la punta floreciente de la planta evita que el tallo crezca más. Una cuajada de coliflor es un cogollo que fue diseñado para convertirse en una flor, pero nunca llega hasta allí y, en cambio, hace un brote. Pero los experimentos de los investigadores en el meristemo encontraron que debido a que este brote ha pasado por una etapa floral transitoria, está expuesto a un gen que desencadena su crecimiento. “Como has sido una flor, eres libre de crecer y puedes hacer un brote”, dijo el Dr. Parcy.

Este proceso crea una reacción en cadena donde el meristemo está creando muchos brotes que, a su vez, crea muchos más brotes, representando la geometría fractal de una coliflor.

“No es un tallo normal”, dijo el Dr. Godin. “Es un tallo sin hoja. Un tallo sin inhibiciones “.

“Esa es la única forma de hacer una coliflor”, dijo el Dr. Parcy.

Los investigadores dicen que es probable que existan otras mutaciones responsables de la espectacular forma de Romanesco. Ning Guo, investigador del Centro de Investigación Vegetal de Beijing que también está estudiando el mecanismo genético potencial detrás de la arquitectura de la cuajada de coliflor, dice que el artículo ha ofrecido “mucha inspiración”.

“La historia aún no ha terminado”, dijo el Dr. Godin, y agregó que él y el Dr. Parcy continuarán refinando sus modelos de coliflor. “Pero sabemos que estamos en el camino correcto”.

Pero están abiertos, dicen, a estudiar cualquier cosa que florezca.