Cómo los calamares ayudan a resolver los misterios del cerebro humano

Las grandes fibras nerviosas de los calamares llevan décadas siendo esenciales para los investigadores. Nuevos logros en la composición del genoma de estos cefalópodos podrían desembocar a un mejor conocimiento de los sistemas nerviosos en general.

Por James Dinneen
Publicado 3 ago 2021 15:57 CEST, Actualizado 4 ago 2021 11:05 CEST
Calamar de aleta larga

El calamar de aleta larga lleva mucho tiempo siendo un organismo importante en las investigaciones neurocientíficas gracias a su gran axon, una fibra nerviosa que lleva señales a todo el cuerpo.

 

Fotografía de JOEL SARTORE, NATIONAL GEOGRAPHIC PHOTO ARK

“¡Tenemos tuuuubos!", grita el pescador Matt Rissel mientras se inclina sobre la borda del Skipjack para comprobar su línea. Tras una salada mañana de abril al pairo en la costa del Cabo Cod, en Massachusetts, noreste de Estados Unidos, ya están aquí los primeros calamares de la temporada.

Rissel recoge sedal y un macho de Doryteuthis pealeii (aunque a bordo todos lo llaman por su nombre tradicional Loligo) de unos 30 centímetros sale de entre las olas soltando agua y agitando sus dos tentáculos y sus ocho brazos llenos de ventosas. La piel iridescente de "el tubo", su cuerpo, está salpicada de pecas rosas, verde azulado y doradas hasta que, en un abrir y cerrar de ojos, al subir Rissel el calamar a bordo, este se transforma en un ser marrón y furioso.

Hay muchos otros botes que también están a la búsqueda y captura de calamares. Las cañas se comban a lo largo de la pequeña flota pesquera que se ha reunido en la aguas poco profundas donde acuden los calamares para desovar cada primavera. Los cefalópodos se pasan el resto del año nadando por las profundidades de los cañones subterráneos, cazando peces, crustáceos y, ocasionalmente, algún que otro calamar. Un poco más allá, los grandes arrastreros comerciales extienden sus redes, que cada año atrapan toneladas de calamares, muchos de los cuales acabarán en las freidoras. 

Cientos de calamares de aleta larga se reúnen todas las primaveras en la costa del cabo Cod, en Massachusetts (EE. UU.) para desovar.

Fotografía de BRIAN J. SKERRY

Por suerte o por desgracia, al calamar a bordo del Skipjack le espera un destino más cerebral. Lo llevarán al Laboratorio de Biología Marina de Woods Hole, unos kilómetros al oeste, donde durante casi un siglo los calamares han jugado un papel esencial en las investigaciones neurocientíficas. Los animales han ayudado a los científicos a demostrar de todo, desde las señales nerviosas básicas hasta la evolución de cerebros complejos. El estudio de la exclusiva biología del calamar podría desembocar en mejoras de las terapias para curar desórdenes neorológicos y genéticos en humanos. 

El año pasado, estas investigaciones consiguieron un gran logro cuando un grupo de científicos del laboratorio usaron con éxito la herramienta de edición genética CRISPR-Cas9 para desactivar, o "noquear", el gen del calamar Doryteuthis. Era la primera vez que se conseguía en un miembro de la talentoso grupo de moluscos conocidos como cefalópodos. Este trabajo abre el camino para que más científicos puedan investigar la habilidades casi extraterrestres de los cefalópodos, desde su capacidad de cambiar de color las células de su piel hasta la capacidad de apareamiento mimética de las sepias, pasando por la capacidad de aprendizaje de los pulpos.

"¿Cómo han conseguido desarrollar este tipo de comportamientos complejos?", se pregunta el biólogo molecular Josh Rosenthal, mientras sube otro calamar a bordo del Skipjack, acto seguido le quita el anzuelo y lo mete en un tanque de agua donde desaparece en una nube de tinta negra. "Estas cosas tienen más de almeja que de vertebrado".

Aun así, históricamente, era otra cualidad de los calamares lo que le hacía famoso entre los científicos. Mientras el Skipjack vuelva a puerto con no menos de 70 calamares en su tanque, Rosenthal, que lideró la investigación del CRISPR en el Laboratorio de Biología Marina, grita por encima del ruidoso motor: "¡Eran sus enormes células nerviosas!"

Axones gigantes de calamar

Unas horas más tarde, entiendo a que se refería Rosenthal cuando veo a Pablo Miranda Fernández, un español que trabaja para Institutos Nacionales de la Salud (NIH, por sus siglas en inglés) de Estados Unidos, lleva uno de los calamares del Skipjack hasta su sala de disección y, sin ceremonia alguna, le quita la cabeza. En seguida se pone manos a la obra en una mesa cubierta de agua marina fría. Abre en canal el cuerpo translúcido y brillante del calamar apartando las vísceras con un forceps metálico. Le da la vuelta al caparazón interior del calamar para revelar un par de fibras nerviosas llamadas axones, que se extienden a lo largo de todo el cefalópodo.

Pablo Miranda Fernandez, un neurocientífico del National Institutes of Health, extrae las grandes fibras nerviosas de un calamar en el Laboratorio de Biología Marina de Woods Hole.

Fotografía de James Dinneen

"Bastante bien", afirma, mientras mide la fibra, que tiene el grosor de un cuarto de espagueti cocido. Atando los extremos del axón, Fernández lo deja en un plato con agua descalcificada, para no destruir los iones del interior, que permite disparar el nervio.  Cientos de veces más grande que cualquier axón que tengamos los humanos, su grosor permite que los impulsos eléctricos viajen muy rápido por todo el cuerpo, permitiendo al calamar escapar escopetado de cualquier peligro.

Tras el descubrimiento de estas enormes fibras en 1936 (los científicos al principio pensaron que eran vasos sanguíneos), los investigadores empezaron a usarlos para experimentos sobre los mecanismos químicos y eléctricos del sistema nervioso y el cerebro. El axón del calamar era tan grande que los científicos les ponían electrodos y medían las corrientes eléctricas que pasaban por ellos. Podían exprimir la sustancia viscosa de su interior y estudiar de qué estaba hecha.

Leonid Moroz, un neurocientífico de la Universidad de Florida, llama al axón gigante del calamar "el regalo de la naturaleza a la neurociencia".

El estudio de los nervios de los calamares ha sido clave para la obtención de dos Premios Nobel. El primero se entregó en 1963, por el descubrimiento de cómo los nervios transmiten impulsos eléctricos para comunicarse con otras células mediante una cadena de reacciones bioquímicas. Este proceso, llamado acción potencial, es un mecanismo fundamental en todos los organismos con sistemas nerviosos. El segundo Nobel inspirado en los calamares fue el de 1970 por el descubrimiento del papel de los neurotransmisores, como la adrenalina.

Hoy en día, la precisión del instrumental que puede medir y manipular fibras nerviosas más pequeñas han hecho que el axón gigante de los calamares sea menos imprescindible para las investigaciones, pero el calamar "sigue teniendo un motón de misterios y ciencia que tenemos que descubrir", afirma Fernández.

En el NIH, por ejemplo, Fernández trabaja con un equipo que estudia si ciertas proteínas se crean en el axón de calamar y después se extienden a otras células del cuerpo, en lugar de que lleguen al axón desde otras células del cuerpo. El trabajo podría desembocar en la mejora de terapias para células nerviosas dañadas en humano, explica Fernández, pero sin comprender antes el funcionamiento básico de una célula de calamar, "no podemos ni soñar en este tipo de cosas".

Genetica a medida

Otros nervios de las capturas del Skipjack los usará Rosenthal para estudiar la curiosa habilidad del animal para alterar su información genética en las moléculas de ARN en las células nerviosas a un ritmo muy alto. Esto podría permitir al cefalópodo "modificar" cómo se muestran sus genes en distintas partes de su cuerpo, pero nadie puede asegurarlo.

Una mejor comprensión de cómo funciona la modificación del ARN podría traducirse incluso en terapias para las personas. Una start-up biotecnológica co-fundada por Rosenthal está trabajando en aprender de esta habilidad natural para modificar el ARN de los calamares para atajar enfermedades renales, oculares y del sistema nervioso central de los humanos. La idea es corregir mutaciones dañinas sin alterar permanentemente el ADN de nadie.

Crías de calamar hermanas. Una con pigmentación normal -negra con puntos marrón rojizo- y la otra sin pigmentos debido a la edición de su gen TDO. Ambas crías tienen tinta de pigmentación oscura en sus bolsas.

Fotografía de Karen Crawford

Pero para investigar estos y otros misterios de los cefalópodos, los científicos tienen que poder hacer investigaciones genéticas de ellos. Esto require tras patas: el código genético completo del organismo, la habilidad para manipular ese código y la capacidad para crear ese organismo en un laboratorio.

Durante décadas, esto era posible en ratones y otros modelos de organismos clásicos, como moscas de la fruta o gusanos redondos, que permitieron innumerables avances en biología y medicina. Pero los cefalópodos, con sus preciadas rarezas evolutivas, se han mostrado menos propensos a la investigación genética (y no solo por la notoria habilidad de los pulpos para salirse de los tanques).

Las dificultades que han encontrado Rosenthal y su equipo para editar solo un gen de una única especie de calamar es una clara muestra de los retos que entraña.

 

Jugando a Operación con cefalópodos

El primer obstáculo fue secuenciar el genoma del Doryteuthis pealeii, imprescindible para que el equipo supiera dónde corta, explica la neurobióloga del Laboratorio de Biología Marina Carrie Albertin, que lideró el trabajo de secuenciación genética del calamar. "Los genes de los cefalópodos son largos y complicados", recuerda. 

Mientras que genóma humano tiene unos 3 200 millones de letras, o bases, el genóma del calamar tiene 4 500 millones de letras, más de la mitad de las cuales están hechas a base de secuencias repetitivas. Según Albertin, secuenciar esas letras es como hacer un puzzle gigante de un cielo azul. "Cuando te pones a desarrollar algo nuevo, tienes que saber cómo superar cualquier reto extraño que te quiera lanzar la biología", explica.

Tras el caro esfuerzo de secuenciar los miles de millones de fragmentos que conforman el ADN del calamar y ordenarlos, la biología decidió volver a lanzar otro tiro con efecto. A diferencia de otros calamares, los huevos del Doryteuthis tienen una capa exterior gruesa y rugosa, que no es fácil de penetrar con las frágiles agujar necesarias para inyectar la herramienta de edición molecular CRISPR-Cas9. Es como el clásico juego de mesa Operación, pero con embriones. Si la aguja no profundiza lo suficiente el CRISPR-Cas9 no llegará a su objetivo, si se pasa, el huevo no se desarrollará.

"Fue un fracaso constante durante años", recuerda Karen Crawford, embriólofa del St Mary's College y miembro del equipo de edición del calamar.

Tras mucha prueba y error y gracias a un suministro constante de huevos de calamar procendentes de las capturas atlánticas, Crawford encontró el modo de usar unas microtijeras para hacer una rajita en la corteza de los huevos lo suficientemente grande para que pasara la aguja, pero lo suficientemente pequeña como para que se sellara tras retirar la aguja y que el huevo quedara intacto. "Me hice experta en hacer agujeros", bromea Crawford.

Para el primer noqueo, el equipo eligió el gen responsable de la pigmentación del calamar. Eligieron este gen porque sería fácil de ver si la edición funcionaba o no. Y lo hizo. En septiembre de 2020, el equipo informó en la revista Current Biology que el gen había sido cambiado en el 90 por ciento de las células editadas del calamar, suponiendo un avance clave para permitir el estudio genético de los calamares y otros cefalópodos. Mientras que el calamar inalterado mostraba pequeñas motas, el calamar con el gen noqueado era transparente como el cristal.

Desde entonces, el grupo ha experimentado noqueando otros genes, comenta Rosenthal, como por ejemplo, los dos genes que permiten la edición del ARN. Aunque la función de este truco genético no está clara, parece que es básico para el calamar: la larvas que carecen de este gen mueren al poco de eclosionar.

Este verano, el grupo está enfocado en añadir, o "colocar", un gen al calamar que produzca una proteína que se vuelva verde florescente cuando se una al calcio, que fluye por el axón cuando se activa un nervio. Combinado con el noqueo de la pigmentación, esto permitirá a los investigadores ver literalmente como se desarrolla el nervio y poder trabajar en el calamar transparente.

Cultura de calamar

Pese a estos avances en las investigaciones del Dorytheuthis pealeii, y la prestigiosa carrera de la especie al servicio de la ciencia, el calamar sufre un importante contratiempo como organismo de investigación genética: no puede criarse fácilmente en un laboratorio. "Como adulto es muy grande y le gustan las aguas profundas y frías del océano", explica Crawford.

Los especímenes salvajes se pueden meter en tanques, pero no sobreviven más de unos días. Y, aunque los huevos obtenidos por el calamar salvaje se pueden fertilizar en el laboratorio, las crías tienen una dieta compleja y no se pueden mantener con vida lo suficiente como para que se reproduzcan, lo que es necesario para que los científicos puedan establecer distintas líneas genéticas.

Aun así, al otro lado del campus del Laboratorio de Biología Marina, una alternativa al Dorytheuthis flota apaciblemente en una cuba de agua tratada para que parezca el océano de la costa de Japón. Al enfocar la luz al tanque, el especialista en cultura cefalópoda Taylor Sackmar nos muestra un calamar de cola de colibrí, Euprymna barryi, del tamaño de una piedrecita. Es totalmente transparente salvo por sus ojos rojos.

La cría de un mes es la primera descendiente de dos padres modificados genéticamente, que flotan en cubas cercanas como albóndigas con tentáculos. Sackmar apunta la luz a la madre y señala a las tiras sin color de su piel y nos explica que es porque le faltan dos genes responsables de la pigmentación. De sus huevos, al ser fertilizados por un macho que tampoco tiene esos genes, salieron hijos albinos y transparentes.

"La descendencia de esta hembra son la punta de lanza de la investigación CRISPR”, susurra Sackmar, como si no quisiera molestar a los calamares.

Al contrario que el Dorytheuthis, el cola de colibrí puede nacer, crecer y reproducirse en un laboratorio. Aunque el trabajo de Sackmar sigue en un proceso inicial, el científico asegura que el objetivo es que, en un futuro, el laboratorio suministre a científicos de todo el mundo huevos de calamar y adultos para las investigaciones genéticas. El laboratorio también está trabajando para recrear ciclos completos de vida para otros cefalópodos, incluida la sepia o la Sepioloidea lineolata, un cefalópodo rallado típico de Australia. "Si esto va como pensamos, otros laboratorios van a querer más especímenes", asegura Sackmar.

Pero, sigue habiendo muchos retos, para poder escalar el uso de cefalópodos como organismos para estudiar. Por ejemplo, todavía no se puede fertilizar artificialmente los huevos de los cola de colibrí, por lo que cualquier modificación genética tiene que esperar a que la madre decida reproducirse. Ademas, el crecimiento de los calamares es lento, lo que ralentiza también la investigación.

"Los amantes de los calamares dicen: '¡Oh! Esto es lo mejor'. Pero el camino no va a ser fácil", explica Miguel Holmgren, otro neurocientífico del NIH que usa el axón gigante del calamar para sus investigaciones.

Moroz, el neurocientífico de Florida, cree que el calamar cola de colibrí es demasiado simple para responder a muchas de las preguntas que hay sobre la neorobilogía de los cefalópodos, aunque se refiere a la investigación como "un paso tremendamente importante". Combinando la complejidad neuronal y las distinciones evolutivas, cree que cualquier estudio básico sobre cefalópodos "realmente acelerará nuestro entendimiento del cerebro".

"Estos organismos han estado aquí desde el final del Paleozolico" hace 250 millones de años, asegura Crawford. "Tienen muchas historias que contar".

 

James Dinneen es un periodista científico y ambiental afincado en Nueva York. based in New York. En 2029 participó en el programa Logan Science Journalism del Laboratorio de Biología Marina de Woods Hole.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.

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