Desentrañando los complejos misterios de los comienzos embrionarios

Magdalena (Magda) Zernicka-GoetzZernicka-Goetz, hoy bióloga de células madre y del desarrollo en la Universidad de Cambridge y el Instituto Tecnológico de California, recuerda que cuando era niña era una artista y disfrutaba creando cosas con sus manos. En la escuela secundaria, planeaba estudiar neurociencia porque le fascinaba cómo funcionaba el cerebro, pero cuando vio un embrión por primera vez, en su primer año de universidad, despertó su sentido estético. “Cuando los ves desarrollarse, también te cautiva el misterio del proceso y la magia de ese proceso”, explicó Zernicka-Goetz. “Me interesaba la belleza, pero no solo la belleza superficial, sino también la belleza profunda. ¿Cómo funciona esto?”

Esta exposición casual al mundo de la biología del desarrollo llevó a Zernicka-Goetz a explorar los secretos del embrión. Recibió su doctorado en la Universidad de Varsovia bajo la dirección de Andrzej Tarkovski y completó dos becas posdoctorales antes de comenzar su propio laboratorio en la Universidad de Cambridge en 1997. En 2019, comenzó un segundo grupo de laboratorio en el Instituto de Tecnología de California. En ambos laboratorios, estudia cómo las células madre se diferencian y se desarrollan en el embrión.

“Yo miro [at] “En mi experiencia, me he dado cuenta de cómo las células se vuelven diferentes entre sí en un viaje científico”, dijo Zernicka-Goetz sobre su trabajo. “Acepto esas diferencias, por pequeñas o grandes que sean, porque incluso las pequeñas diferencias pueden conducir a grandes diferencias”.

Células pequeñas, grandes descubrimientos

Como nueva líder del grupo, Zernicka-Goetz investigó la influencia de la polaridad celular en el desarrollo embrionario temprano. En ese momento, la evidencia indicaba que las células del embrión de mamífero, es decir, el ratón, no se polarizaban hasta después de la implantación.¹ Sin embargo, los estudios que demostraron que los embriones de ratón tenían simetría Antes de la implantación se cuestionó esta idea.² Para determinar si esta simetría y la polaridad celular posterior estaban relacionadas era necesario poder rastrear linajes celulares.

El grupo de Zernicka-Goetz estaba preparado para resolver ese problema, habiendo desarrollado un marcador de proteína fluorescente verde adecuado para dicho seguimiento.³ Con este sistema, el equipo demostró que la polaridad embrionaria estaba presente. Antes de la implantación.⁴

“Fue todo fascinante”, recordó Carolina Nitschedirectora del núcleo de transgénesis y selección de genes en ratones de la Universidad Emory, que en ese momento era investigadora postdoctoral en el laboratorio de Zernicka-Goetz. “Magda estaba muy emocionada y contagiaba ese entusiasmo a todos los miembros de nuestro grupo”.

Esto también desafió la opinión de que las características organizativas del óvulo no afectaban el desarrollo del embrión, lo que llevó al equipo a investigar la influencia de la entrada de los espermatozoides en el desarrollo del embrión de ratón. Este punto, demostraron, no solo Dictó la primera posición de escotepero también predijo la cinética de la división celular, ya que el clon que heredó esta posición tenía más probabilidades de dividirse primero.⁵ Posteriormente, demostraron que este clon que se dividió temprano también aportó más células a lo que se convertiría en el masa celular interna del embrión.⁶

“Fue muy controvertido”, recordó Zernicka-Goetz, y dijo que algunos de sus compañeros incluso le sugirieron que se retractara de los resultados. “Yo no lo haría. Sabía que sería moralmente incorrecto”.

“Había gente que decía: ‘Bueno, no creemos que ninguna de estas cosas sea real’. Así que tenía una [few] “Fueron unos primeros años difíciles para establecerse”, dijo Tom Flemingbióloga del desarrollo y profesora emérita de la Universidad de Southampton. Sin embargo, dijo que incluso entonces, ella tenía una buena reputación como científica. “Cuando mirabas sus artículos, tenían sentido. Era lógico. Y pensabas, ‘oh, sí, ojalá hubiera podido hacer eso’”.

Con el tiempo, la tecnología mejoró y permitió a los científicos profundizar en la biología del embrión, y otros grupos replicaron los resultados de Zernicka-Goetz. Recientemente, encontró un sesgo celular similar en la etapa de dos células en embriones humanos como lo que encontró en los ratones.⁷ A pesar de la frustración que le causó, Zernicka-Goetz considera que este proyecto fue el punto culminante de su carrera. Sin embargo, su favorito es uno que comenzó una década después.

Construyendo mejores modelos embrionarios

Las técnicas adaptadas de la investigación sobre fertilización in vitro permitieron a los científicos cultivar y estudiar embriones de mamíferos en los primeros días de su desarrollo. Sin embargo, después de esta ventana (día 4 para el ratón y día 7 para los humanos), los embriones deben implantarse en el útero, momento en el que estudiar su desarrollo se vuelve exponencialmente más difícil.

Reconociendo esta limitación, Zernicka-Goetz desarrolló un modelo in vitro de post-implantación desarrollo embrionario en el ratón.^8,9 Paralelamente, demostró que las células madre embrionarias pluripotentes cultivadas en proteínas de la matriz extracelular estructuras formadas comparable al de los embriones durante la implantación.¹⁰ Su grupo luego replicó este enfoque en embriones humanos y células madre humanas.¹¹

Con estos hallazgos de autoorganización en modelos embrionarios, Zernicka-Goetz continuó mejorando los modelos para imitar mejor al embrión de mamífero. Su equipo cocultivaba células madre embrionarias de ratón con células madre del trofoblastoque forman la placenta.¹² Esta combinación modeló mejor el desarrollo embrionario y la biología celular del embrión temprano, pero no logró reproducir procesos clave inherentes a los embriones postimplantación que dependen de un tercer tipo de célula embrionaria.

Para superar esta deficiencia, el equipo desarrolló un modelo que incorporaba células madre embrionarias, células madre del trofoblasto y células del endodermo extraembrionarias. Con los tres tipos de células, el resultado modelo de embrión se parecían mucho a las estructuras y los hitos del desarrollo de embriones de ratón comparables.¹³ A partir de este trabajo, el equipo desarrolló un modelo de embrión humano siguiendo un enfoque similar.¹⁴

“El viaje comenzó hace 10 años y estoy sorprendida. Nunca pensé que llegaríamos tan lejos, nunca soñé que sería posible”, dijo Zernicka-Goetz. “Estoy muy feliz de no haberme rendido”.

Compartiendo la pasión científica

“Cuando trabajé con Magda, probablemente fue uno de los mejores momentos que recuerdo ahora mismo, de todo mi trabajo científico”, dijo Nitsche. Describió a Zernicka-Goetz como una persona siempre disponible para hablar sobre los datos y entusiasmada con los proyectos. “Realmente hace que la gente quiera trabajar en esto y se interese”.

Ese interés se extendió a explicar el mundo y la ciencia del embrión en un libro que también incluye la trayectoria científica de Zernicka-Goetz como inmigrante y mujer en la ciencia. “Mi objetivo era escribirlo realmente para las personas que aman la ciencia”, dijo, y agregó que capturaba partes de la ciencia que no se reflejan en los artículos publicados, como la alegría del descubrimiento y los desafíos cotidianos.

En la actualidad, Zernicka-Goetz dirige dos laboratorios y ha formado a más de 50 estudiantes de posgrado y posdoctorados, muchos de los cuales han creado sus propios grupos de investigación independientes y siguen siendo colegas cercanos de Zernicka-Goetz. “La gente realmente se beneficia de trabajar con ella”, afirmó Fleming.

“Ha sido capaz de reunir todos los diferentes aspectos de cómo se desarrolla un embrión y darle significado”, dijo Fleming.

Zernicka-Goetz fue nominado para esta entrevista a través de las presentaciones del Programa de Perfil de Pares de The Scientist.