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Cronobiología

Un reloj que funciona en la oscuridad

Física, biología y tecnología se unen para develar los ritmos circadianos de un roedor subterráneo

Excavación: uno de los raros momentos en que los tucutucos se asoman a la superficie

Patricia Tachinardi/USP

En la naturaleza, las condiciones de vida son un tanto inconstantes. Los alimentos pueden hallarse disponibles o no, los predadores son más abundantes en determinadas circunstancias, los elementos climáticos, a veces, constituyen todo un desafío. Conviene prever algunos de esos parámetros para poder entrar en acción cuando esto último resulta más productivo o seguro. En ese caso interviene el reloj biológico, un mecanismo interno que regula la actividad y cuyo control genético viene siendo develado durante los últimos 30 años, en una gesta reconocida este año con el Premio Nobel de Medicina. Esta capacidad de previsión es especialmente valiosa para aquellos animales que no disponen de un fácil acceso a los indicadores ambientales, como es el caso de los roedores subterráneos conocidos como tucutucos (Ctenomys spp.). Se trata de un ambiente extremo desde el punto de vista de la luz, que también es una realidad para las especies zoológicas polares, abisales o cavernícolas, y por lo mismo resulta crucial para los estudios de cronobiología. “Estamos comparando los ritmos biológicos en la naturaleza y en laboratorio”, relata la física Gisele Oda, coordinadora del Laboratorio de Cronobiología del Instituto de Biociencias de la Universidad de São Paulo (IB-USP). “La línea de estudios de campo es poco usual en la cronobiología, que tradicionalmente se estudia en ambientes controlados”, dice la investigadora, quien llegó a estudiar la biología partiendo desde la física, estudiando las oscilaciones en los sistemas dinámicos.

La comparación entre ambas orientaciones inmediatamente sumó elementos por esclarecerse cuando los tucutucos, diurnos en su vida normal en la naturaleza, pasaron a ser nocturnos en laboratorio. Tal cambio ya se había observado en otros animales, entre ellos los de una especie análoga chilena, a los que se conoce con el nombre de cururos (Spalacopus cyanus). La bióloga Patricia Tachinardi, quien forma parte del grupo de trabajo de Gisele Oda, se abocó al estudio de ese aspecto y determinó que esto los beneficia en cuanto al ahorro de energía, según relata en un artículo publicado el año pasado en la revista científica Physiological and Biochemical Zoology.

Durante el desarrollo de su doctorado, cuya tesis defendió este año, Tachinardi evaluó tucutucos confinados en cámaras que miden la actividad metabólica por medio del consumo de oxígeno en la respiración. En el marco de esos experimentos, pudo definirse que las temperaturas en un rango situado entre 23 grados Celsius (ºC) y 33 ºC son ideales para la vida de estos animales, y se calculó cuánta energía economizan siendo diurnos o nocturnos. El estudio contó con la colaboración del fisiólogo estadounidense Loren Buck, de la Universidad del Norte de Arizona, experto en balance energético en condiciones naturales. Fue un hallazgo sorprendente que tres de los nueve especímenes sujetos al experimento, noctámbulos en el laboratorio, instantáneamente pasaron a desarrollar actividad diurna en esas cajas. “La humedad aumenta y la concentración de oxígeno es menor que en las condiciones normales de laboratorio, necesitamos controlar esos parámetros para estudiar qué es lo que suscita esa alteración del patrón de actividad”.

Sucede que en invierno, cuando lo ideal sería refugiarse en el nido subterráneo, los tucutucos que viven en libertad necesitan estar más activos. Deben comer más para obtener la energía suficiente como para poder afrontar el frío, y el alimento, en dicha estación del año, es más escaso. Entonces se vuelve crucial restringir la actividad a las horas en que el Sol modera la temperatura del ambiente. Para estudiar minuciosamente el consumo energético en campo, el grupo de Oda se topa con ciertas limitaciones técnicas. “Los acelerómetros con que contamos aún son muy grandes para poder acoplarlos en los animales libres”, dice la física. Ella se refiere a unos dispositivos (sensores) que, sujetos a collares o bien implantados, podrían registrar con precisión el movimiento y el gasto de energía de los animales.

En invierno, resulta crucial acotar la actividad a las horas en que el Sol modera la temperatura

Presupuesto energético
Resulta curioso constatar la capacidad adaptativa del horario de actividad, como si las condiciones ambientales activasen un interruptor que altera instantáneamente el patrón. “La condición de ser nocturno o diurno suele hallarse asociada a la identidad de cada especie, como una marca inmutable”, comenta Oda. Tales observaciones se ajustan al modelo “trabajando por la comida”, del cronobiólogo holandés Roelof Hut, de la Universidad de Groninga, donde Tachinardi estuvo un tiempo durante su doctorado. El investigador reveló que, en ratones, el aumento de la dificultad para obtener alimento altera su pauta nocturna transformándolos en diurnos. “Cuanto mayor es el esfuerzo que deben realizar para poder comer, más diurnos se tornan”, explica la bióloga. De acuerdo con esa hipótesis, esto sería lo que sucede con los tucutucos cuando deben cavar túneles para encontrar escaso alimento. “El presupuesto energético es bastante justo en la naturaleza, mientras que en el laboratorio, ellos disponen de alimento a voluntad”. En el confort calórico del cautiverio, estos animales revertirían al modo nocturno, en teoría, el modelo ancestral de esta especie.

Desde el comienzo, el análisis de la actividad de los tucutucos no fue una tarea trivial. Uno de los problemas es que ellos pasarían gran parte del tiempo en galerías subterráneas excavadas en el suelo desértico de la región de Anillaco, en la provincia de La Rioja, Argentina, un pueblo de 1.400 habitantes, famoso por ser la localidad natal y albergar la residencia del expresidente Carlos Menem. Durante su gobierno, en 1998, se inauguró allí el Centro Regional de Investigaciones Científicas y Transferencia Tecnológica (Crilar), como parte de una iniciativa tendiente a establecer polos científicos en zonas alejadas. Es el ámbito ideal para el estudio de esos roedores, que acaso pertenezcan a una especie aún no descrita. Si bien su taxonomía aún no está definida, los científicos los identifican como Ctenomys knighti, la especie conocida en la región. “Éstos pululan en el jardín de Menem y los vitivinicultores de la propiedad vecina al centro de investigación los consideran una plaga”, comenta Gisele Oda. De cualquier manera, el mayor indicio del período activo de los tucutucos eran las vocalizaciones que emiten permanentemente, que se escucha desde el interior de sus madrigueras.

Oda comenzó a estudiar a estos animales hace ocho años en colaboración con la bióloga argentina Verónica Valentinuzzi, del Crilar, a quien conoció durante una pasantía de posdoctorado en el IB-USP. Desde un principio, ella contó con la ayuda de Tachinardi, Danilo Flôres y Barbara Tomotani, por entonces alumnos de la carrera de grado en biología. Para monitorear a los tucutucos era necesario capturar a los animales, adosarles sensores para seguirlos sin perturbar sus actividades, y también construir escenarios seminaturales para realizar experimentos, de donde ellos no pudieran huir cavando, entre otros retos. Luego de varias pruebas y errores, lograron construir muros subterráneos de hormigón debajo de las cercas, les instalaron collares con sensores de luz y movimiento a los animales y les implantaron sensores de temperatura corporal.

A través de estos dispositivos adosados a ocho ejemplares y al cabo de los inviernos de 2014 y 2015, se pudo comprobar que todos se exponían a la luz solar durante períodos breves, cuando sacan tierra afuera al excavar túneles y buscan las hojas de las plantas con que se alimentan, o bien, se quedan inmóviles en las entradas de las cuevas, acaso calentándose. La exposición a la luz ocurre al menos una vez al día, aunque usualmente son varias veces, tal como lo revela un artículo que se publicó en 2016 en la revista Scientific Reports, que forma parte de la tesis doctoral de Danilo Flôres, quien obtuviera ese título en 2016.

Patricia Tachinardi/USP Cercos instalados junto al centro de investigación posibilitan la realización de experimentos en condiciones seminaturalesPatricia Tachinardi/USP

 Un día en el laboratorio
Entonces, el grupo se abocó a tratar de entender cómo se regula el ritmo circadiano. Si se los deja en un ambiente de oscuridad permanente en laboratorio, registrando su actividad mediante el uso de una de esas ruedas comunes en las jaulas para roedores mascotas, los tucutucos mantienen un ritmo de actividad correspondiente a un ciclo de 25 horas, un desfasaje frecuente en otros animales. Para sincronizar el reloj biológico a las 24 horas de rotación de la Tierra basta con incorporar un pulso de luz con una duración de pocos segundos al día, incluso en horarios variables, que se ajusta a un modelo computacional elaborado por el grupo de la USP y que simula un oscilador circadiano: el mecanismo central que controla el reloj biológico. Ante ese pronóstico sorprendente, Flôres quiso hacer una prueba concreta. Brindándoles acceso a la luz solamente durante una hora diaria, el tiempo suficiente para la ejecución de tareas tales como alimentar a los animales y limpiar sus instalaciones en el laboratorio, nueve de los tucutucos pasaron a exhibir una actividad coherente con un día de 24 horas. Esto sucedía cuando había acceso a la luz en horarios aleatorios (dentro de los límites de las horas correspondientes al día fuera del laboratorio) o predeterminados.

Una vez cotejados los experimentos en laboratorio, en el ambiente natural y las mediciones tomadas en campo, los resultados están ayudando a definir los factores claves del ritmo circadiano. También tercian en la discusión teórica acerca de cómo ocurriría  dicha regulación. En el modelo al que se conoce como paramétrico, la luz tendría un efecto permanente en su sincronización. “Es como un oscilador que activa un balance continuo”, compara Gisele Oda. En el modelo no paramétrico, el péndulo fluctúa merced a destellos de luz periódicos. Los mismos, en el caso del reloj biológico, serían los cambios abruptos en el aporte de luz que se producen durante el amanecer y el crepúsculo. Los tucutucos exhiben un tercer modelo, híbrido entre los dos anteriores, en el cual los destellos pueden producirse en cualquier punto de la trayectoria del péndulo.

El enfoque del modelado matemático también fue lo que guió el descubrimiento de los mecanismos moleculares subyacentes en los ritmos circadianos, que les granjeó el Premio Nobel de Medicina de este año a los estadounidenses Jeffrey Hall, Michael Rosbash y Michael Young. “El punto más destacado para el logro del premio fue que identificaron cuáles elementos son los que intervienen en la regulación del ritmo de 24 horas”, explica Oda. La proteína PER, que es producida por el gen period, identificado en la década de 1980, se acumula en el núcleo de las células, inhibiendo la actividad de dicho gen. “Pero el modelo apuntaba que las etapas bioquímicas de ese proceso no llegaban a 24 horas, por lo tanto, estaba previsto matemáticamente que tendría que haber algún elemento de retraso”. Esto ocurre gracias a otra proteína que degrada a la PER, retardando su acumulación. Los pulsos lumínicos también intervienen en la degradación de otra proteína del reloj, impulsando una sincronización, cuya explicación la brinda el modelado matemático.

“El sistema oscilante presenta una dinámica que se rige por ecuaciones diferenciales”, sostiene Oda, anticipando que el sistema revelado por el modelo subterráneo también valdría para los ratones e incluso para las personas. “El oscilador es el mismo para todos”, concluye, desde su enfoque como física.

Proyecto
Cronobiología de roedores subterráneos sudamericanos, en laboratorio y en campo (nº 14/20671-0); Modalidad Apoyo a la Investigación – Regular; Investigadora responsable Gisele Akemi Oda (USP); Inversión R$ 162.935,51

Artículos científicos
FLÔRES, D. E. F. L. et al. Entrainment of circadian rhythms to irregular light/ dark cycles: A subterranean perspective. Scientific Reports. v. 6, 34264. 4 oct. 2016.
TACHINARDI, P. et al. The interplay of energy balance and daily timing of activity in a subterranean rodent: A laboratory and field approach. Physiological and Biochemical Zoology. v. 90, n. 5, p. 546-52. sept.-oct. 2017.
TACHINARDI, P. et al. Nocturnal to diurnal switches with spontaneous suppression of wheel-running behavior in a subterranean rodent. PLOS ONE. v. 10, n. 10, e0140500. 13 oct. 2015.

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