Fernanda Pérez rindió hoy el examen de grado para optar al grado de Doctora en Ciencias con mención Física, en el DFI-FCFM de la Universidad de Chile. En modalidad on line, Pérez dio a conocer su trabajo de investigación sobre las propiedades mecánicas de tejidos epiteliales, el que fue aprobado exitosamente. Es la primera mujer en doctorarse en este centro.
“Propiedades estadísticas de un tejido activo no polarizado” es el nombre de la tesis con que Fernanda Pérez obtuvo este martes, 28 de septiembre, el grado de doctora en Ciencias, con mención en Física, en una presentación on line en la que participaron como evaluadores los/as doctores/as Silke Henkes (School of Mathematics, Universidad de Brisol, Inglaterra), Jean-Francois Joanny (College France, Paris), Jaque Dumais (Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad Adolfo Ibañez), Claudio Falcon (FCFM- Universidad de Chile), Miguel Concha (Facultad de Medicina, Universidad de Chile) y Rodrigo Soto, director del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa, académico en el DFI-FCFM de la U. de Chile y profesor guía de la investigación.
La tesis tuvo por objetivo desarrollar un marco teórico para analizar las propiedades
de los tejidos epiteliales (considerados materia activa), ya que comprender su comportamiento mecánico puede ayudar a entender cómo se forman los seres vivos, por qué se produce el cáncer o cómo se curan las heridas.
Para ello, Fernanda Pérez trabajó con los datos experimentales del proceso de desarrollo embrionario de peces anuales -del laboratorio del doctor Miguel Concha, de la Facultad de Medicina de la Universidad de Chile, y realizó simulaciones computaciones sobre la mecánica de los tejidos epiteliales simples, que son sistemas altamente fluctuantes y compuestos por varias células que forman capas. “Estas células cambian de forma por factores internos y externos. Uno de los fenómenos de cambio de forma más relevantes -en contextos de desarrollo embrionario y remodelación de tejidos- es el de contracción apical, que corresponde a un proceso en que una de las caras de una célula epitelial (cara apical) se contrae”, explica Fernanda Pérez.
A través de simulaciones numéricas, hemos encontrado que cambios fluctuantes en la red de proteínas a nivel celular generan movimientos colectivos en el tejido, en forma de compresiones, en distancias más grandes. Estas observaciones servirán de base para la formulación de una teoría de tejidos.
Lo que logra Pérez en su investigación -guiada por el profesor Rodrigo Soto- es establecer un modelo teórico capaz de predecir inestabilidades en este tipo de sistemas, analizar el cambio de estas inestabilidades al deformar previamente el tejido y, además, predecir la forma geométrica de una célula bajo contracción, la que difiere significativamente si el cambio molecular es a nivel central o a nivel perimetral. “Esto inspirará nuevos experimentos para ver si realmente existen estas inestabilidades en tejidos vivos. Eso permitiría validar el uso de nuestro modelo para describir esos experimentos y, además, entender (y alterar) las transformaciones estructurales desde un punto de vista mecánico”, agrega Fernanda Pérez, quien se convierte en la primera mujer en doctorarse en el Núcleo Milenio Física de la Materia Activa, siendo precedida por Gabriel Ramos, en 2020, como el primer doctor del centro.
Multidisciplinaria
La investigación se caracteriza por ser multidisciplinaria: incluyó un trabajo permanente con el laboratorio LEO de la Facultad de Medicina de la Universidad de Chile, liderado por el doctor, Miguel Concha, donde les proporcionaron los datos del desarrollo embrionario del pez anual Austrolebias nigripinnis. “Utilizando nuestro modelo, fuimos capaces de describir la evolución del tejido, prediciendo que la actividad existe a nivel perimetral y encontrando información cuantitativa del sistema”.
La importancia de este trabajo es que el modelo propuesto puede ser aplicado a otros sistemas biológicos, a los que se pueda acceder experimentalmente, para obtener la información geométrica que se necesita para el modelo. “Además, a través de simulaciones numéricas, hemos encontrado que cambios fluctuantes en la red de proteínas a nivel celular generan movimientos colectivos en el tejido, en forma de compresiones en distancias más grandes. Estas observaciones servirán de base para la formulación de una teoría continua de tejidos fluctuantes”, explica Pérez.
El doctor Rodrigo Soto, su profesor, dijo que “Fernanda comprendió muy bien los desafíos que existen en el trabajo multidisciplinario, desarrollando y aplicando conceptos de la física a problemas de la biología, de manera de hacer predicciones relevantes para los biólogos. Su teoría -que observando cambios geométricos en las células permite determinar cómo éstas se contraen- es muy novedosa y espero que sea usada en el futuro en la biología”.
Este trabajo colaborativo con las ciencias biológicas es un ejemplo del tipo de ciencia que se puede realizar si se toma el desafío de trabajar en temas multidisciplinarios. Espero que sirva como referencia para actuales y futuros científicas y científicos.
Nuevos caminos
Fernanda Pérez es licenciada en Física de la Universidad de Chile y cuenta que desde niña presentó interés por la biología y las matemáticas. “Siempre tuve ganas de intentar explicar fenómenos biológicos con una base matemática, pero no tenía referentes ni alguien que me guiara”, recuerda.
Fue en el curso de Electromagnetismo (del profesor Marcel Clerc), mientras cursaba el plan común en la FCFM de la Universidad de Chile, cuando se enamoró de la física y decidió seguir ese camino. “Entonces conocí al profesor Rodrigo Soto y supe que él estaba en una colaboración con el laboratorio del profesor Miguel Concha, en la Facultad de Medicina.
Sabía que lo que andaba buscando como tema no era lo usual dentro del Departamento de Física, pero mi postgrado calzó justo con la apertura del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa”, cuenta. “Gracias a ello, a la continua colaboración con el laboratorio LEO de la Facultad de Medicina, a las posibilidades de hacer lazos internacionales, y al profundo apoyo del profesor Rodrigo Soto, la experiencia logró ser muy favorable para todos, que hemos aprendido de la mecanobiología en tejidos. Me voy muy contenta de lo que hemos logrado hasta ahora y de que, actualmente, más alumnos estén interesados en seguir investigaciones en estas líneas”, dijo.
Tras el doctorado, Fernanda Pérez baraja opciones para seguir perfeccionándose en Estados Unidos o Portugal. “Actualmente estoy en conversaciones con dos grupos, uno en Pittsburgh (USA) y otro en Oeiras (Portugal), para un puesto postdoctoral. Es una decisión que aún no está tomada, sin embargo, mi objetivo a corto plazo es obtener mayor experticia en trabajos interdisciplinarios, donde pueda aportar desde la física al entendimiento de procesos biológicos, y además lograr más experiencia para guiar a estudiantes que recién están iniciando su camino en estas áreas”.
Título: Propiedades estadísticas de un tejido activo no polarizado
Candidata: Fernanda Pérez
Profesor guía: Rodrigo SotoResumen tesis:
Esta tesis tiene como objetivo desarrollar un marco teórico para analizar las propiedades
de tejido epiteliales, entendiéndolos como un ejemplo de materia activa. Comprender su
comportamiento mecánico es de interés para biólogos, físicos, y otros. Varios trabajos han
explotado la idea de actividad polarizada incorporando fuerzas internas que producen, por
ejemplo, migración celular. Aquí, en cambio, utilizamos un sistema no polarizado, donde la
dirección de los movimientos está dada por las interacciones entre los elementos, y donde se consideran nuevos términos escalares de actividad.
Utilizando el modelo de vértices, encontramos analíticamente inestabilidades caracterizadas
por el acoplamiento de ciertos modos de deformación cuando incorporamos homogéneamente esfuerzos sobre el tejido, o actividad celular. Mostramos un excelente acuerdo con simulaciones numéricas donde la no convexidad celular es un representante geométrico de las inestabilidades.
Cuando la actividad está localizada en una sola célula del sistema, imitando las contracciones apicales que se observan en distintos procesos biológicos, se observan distintas respuestas geométricas dependiendo de la zona celular que es activa: si es la zona medial, la célula activa toma forma anisotrópica, mientras que si es el perímetro entonces tiende a tomar una forma isotrópica. Aplicamos este análisis al estudio de pulsos de contracción apicales observados experimentalmente durante eventos de división celular frustrados en etapas tempranas del desarrollo del pez anual Austrolebias nigripinnis. A partir de un proceso de optimización de observables geométricos, somos capaces de discriminar el tipo de actividad que mejor describe la evolución del sistema, además de obtener el mejor ajuste de los parámetros del modelo, tanto globales como particulares de cada evento activo.
Para comparar entre micro y macroescala, describimos un modelo contínuo documentado
en la literatura que nace a partir del modelo de vértices, obteniendo así un tensor de
esfuerzos continuo. Incorporamos actividad celular tanto medial como perimetral en una
zona activa definida por una función Gaussiana, y estudiamos los estados de equilibrio
mecánico y la dinámica del sistema, mediante el modelo continuo y simulaciones numéricas del modelo de vértices. Evidenciamos excelentes acuerdos entre ambas descripciones al considerar reescalamientos de las escalas temporales y de la contractilidad activa perimetral.
Para analizar la autoorganización, realizamos simulaciones numéricas de un tejido no
polarizado fluctuante, donde la actividad está inspirada en la continua regeneración del
citoesqueleto. Calculamos diversos factores de estructura estáticos, encontrando una
separación de escalas que permite discernir entre la escala microscópica y la macroscópica del modelo. Además, la respuesta muestra ondas de compresión en el régimen de gran longitud de onda y la aparición de una cascada de energía inversa.
Al final de la tesis se presentan las conclusiones generales y la perspectiva a futuro del
tema de estudio.
