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Complejidad en biología - Ester Lázaro

La materia viva se organiza en diferentes niveles de complejidad creciente: moléculas, macromoléculas, células, tejidos, órganos, sistemas de órganos, organismos, ecosistemas y finalmente la biosfera. En cada uno de esos niveles la interacción entre sus componentes conduce a la generación de información adicional, la cual se manifiesta en la emergencia de nuevas propiedades, no deducibles del análisis de los elementos del nivel inferior. Así, la función de una proteína no está determinada únicamente por su secuencia de aminoácidos, o el funcionamiento de un organismo no puede estudiarse simplemente analizando los tipos
de células que lo componen. Desde esta perspectiva, la vida debería ser estudiada como un conjunto de redes (genéticas, metabólicas, ecológicas, etc.) que se relacionan entre ellas y también con el ambiente externo. Cualquier pequeña perturbación de los elementos que interaccionan en estas redes, o del ambiente en el que están inmersas, puede tener consecuencias impredecibles. Ahora sabemos que somos mucho más que nuestros genomas y los estudios sobre epigenética muestran que el ambiente nos moldea mucho más allá de lo que imaginábamos. En esta charla profundizaremos en estos conceptos, intentando mostrar que, a pesar de su utilidad en épocas pasadas, los biólogos deben abandonar el reduccionismo y el determinismo para así poder seguir avanzando en el conocimiento de la vida. 


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Complejidad en biología - Ester Lázaro

  1. 1. Complejidad en Biología Ester Lázaro Lázaro 16-05-2016 Curso de Iniciación a los sistemas complejos (Fundacion Sicomoro-Complejimad) lazarole@cab.inta-csic.es
  2. 2. La vida puede adoptar una gran diversidad de formas
  3. 3. a) Dendritas de una neurona b) Ramas de un árbol c) Ramificaciones de los bronquios d) Árbol filogenético e) Red fluvial f) Capilares sanguíneos g) Axón de una neura h) Relámpago Velázquez et al (2009) J Biol Phys 35:209-221
  4. 4. Propiedades fundamentales de la vida (I): metabolismo Energía y materia del medio externo Energía y materia utilizable por los organismos vivos Metabolismo
  5. 5. La información genética se almacena en la secuencia de nucleótidos de la molécula de ADN TC GATA GT TAAC A T GC Propiedades fundamentales de la vida (II): Capacidad para almacenar y transmitir información
  6. 6. Las funciones celulares son ejecutadas por las proteínas Proteínas enzimáticas capaces de catalizar las reacciones del metabolismo Proteínas reguladoras: Decidir qué reacciones y procesos deben tener lugar en momentos concretos Están formadas por una sucesión de aminoácidos, que pueden ser de 20 tipos diferentes
  7. 7. Es necesario que haya un sistema que traduzca la información almacenada en la secuencia de nucleótidos del ADN en información almacenada en la secuencia de aminoácidos de las proteínas. TC GATA GT TAAC TG CAAC Traducción Cada combinación de 3 nucleótidos da lugar a un aminoácido diferente Código genético CTA T GA TAC
  8. 8. El DNA tiene que ser copiado Replicación La información tiene que poder ser transmitida a las siguientes generaciones
  9. 9. Poblaciones heterogéneas Mutaciones Selección natural Evolución Propiedades fundamentales de la vida (III): Capacidad de adaptación ATCGGCATCAGGTC Durante la copia de la molécula de ADN pueden producirse errores ATCCGCATCAGGTC ATCGGCATCATGTC ATAGGCATCAGGTC ATCGGCACCAGGTC
  10. 10. Sistema complejo adaptativo capaz de almacenar y transmitir la información necesaria para automantenerse mediante el intercambio de materia y energía con el medio externo 21 órdenes de magnitud en masa La vida es el sistema más complejo y diverso del Universo: 27 órdenes de magnitud en masa
  11. 11. Sistemas complejos Organización jerárquica en diferentes niveles Cada nuevo nivel está formado por unidades del nivel inferior que interaccionan entre ellas Como resultado de la interacción entre componentes, emergen nuevas propiedades que no pueden ser deducidas de las propiedades de los componentes aislados Propiedades emergentes
  12. 12. Organización jerárquica de la vida en diferentes niveles Cada uno de los niveles está formado por la integración de unidades del nivel inferior Macromoléculas Orgánulos
  13. 13. Propiedades emergentes: de moléculas a macromoléculas aminoácido proteínas Catálisis de la reacciones metabólicas Defensa Regulación Nucleótidos DNA Almacenamiento y transmisión de la información
  14. 14. Propiedades emergentes: de macromoléculas a organelos Fosfolípidos Membranas celulares: separación del medio externo Proteínas + RNA Ribosoma Síntesis de proteínas
  15. 15. Vida Metabolismo Almacenaje y procesamiento de la información Adaptación Propiedades emergentes: de organelos a la célula
  16. 16. Diferenciación celular Tejido nervioso Tejido muscular Tejido óseo Elaboración de respuestas Movimiento Movimiento De células a tejidos, órganos y sistemas de órganos Comunicación División del trabajo Cooperación
  17. 17. La integración de todas las funciones realizadas por los órganos y sistemas de órganos lleva a la aparición de organismos Toma de decisiones Desplazamiento Pensamiento
  18. 18. Comunicación División de trabajo Cooperación Cadenas tróficas Ecosistemas Poblaciones
  19. 19. El flujo de energía en la biosfera Metabolismo a nivel planetario
  20. 20. Nivel microscópico Nivel macroscópico Aumento de las interacciones perturbación Amplificación de la perturbación o efecto mariposa Cambio a escala global
  21. 21. ¿A qué nos referimos cuando hablamos de complejidad de la vida? Complejidad morfológica Complejidad de comportamiento Complejidad funcional Variedad de tipos celulares La cantidad de información
  22. 22. Cantidad de información Tamaño del genoma Númerodegenes Relación tamaño genómico y número de genes
  23. 23. Número de genes A. Thaliana
  24. 24. Son responsables de la diferenciación celular y de los diferentes estados en los que puede existir una célula en respuesta a factores externos Redes de interacción entre genes Los genes interaccionan unos con otros a través de los factores de transcripción. Las redes de células diferentes están conectadas a través de procesos de señalización Los factores de transcripción son proteínas que hacen que unos genes se expresen y otros no
  25. 25. Para todas las familias de factores de transcripción, sus miembros incrementan en número con el grado de complejidad La diversidad de tipos celulares aumenta en el mismo orden Tupler et al (2001) Nature 409:832
  26. 26. Red de interacciones genéticas de S. cerevisiae La red está en cambio constante debido a los cambios ambientales Conectividad de la red: número de links que existen/Número de links posibles Costanzo et al. 2010. Science 327:425–431.
  27. 27. Red de interacciones entre proteínas Un mismo gen puede dar lugar a proteínas diferentes El número de proteínas puede ser un buen indicador del grado de complejidad de una célula o un organismo Arabidopsis Interactome Mapping Consortium. 2011. Evidence for network evolution in an Arabidopsis interactome map. Science. 6042:601-607
  28. 28. Interacciones entre células (neuronas) en el sistema nervioso Complejidad a nivel de tejido Pensamiento, movimiento, sensaciones, cambios en el estado celular
  29. 29. Macromoléculas Organismos unicelulares Organismos pluricelulares Ecosistemas Evolución de la complejidad a lo largo de la evolución ¿Confiere la complejidad una ventaja evolutiva? Cuanto más complejo es un sistema más sensible es a perturbaciones Complejidad
  30. 30. Comunicación entre bacterias División del trabajo Cooperación Comportamiento altruista
  31. 31. Comunicación química entre bacterias Liberación de moléculas señalizadoras Interacción con receptores de membrana Activación génica
  32. 32. Formación de biofilms Estructuras complejas formadas por bacterias y una matriz extracelular Pueden incluir una sola especie bacteriana o varias que se complementan metabólicamente: División de trabajo y cooperación Proporcionan protección y una mejor distribución de los nutrientes
  33. 33. Comportamiento altruista en bacterias Escasez de nutrientes Bacterias competidoras Infección por fagos
  34. 34. Complejidad en las poblaciones virales Luring et al 2013. Nat Rev Microbiol 11(5):327-36.
  35. 35. Comportamiento cooperativo en virus PLoS Pathog. 2010 Jul; 6(7): e1001005.
  36. 36. Redes fractales en biología
  37. 37. Todos los organismos dependen para su mantenimiento y reproducción de la integración de numerosas unidades (moléculas, organelos, células…) que deben tener acceso a los sustratos metabólicos, adecuada retirada de los productos de desecho y las moléculas reguladoras. Tienen que existir redes de difusión de la energía y materiales entre reservorios macroscópicos y microscópicos La funcionalidad de la red se maximiza minimizando la energía y otras variables necesarias para la distribución de los recursos Estas redes son el resultado de la selección natural
  38. 38. Y = Y0 Mb b Leyes de escala en biología b = 3/4
  39. 39. Núñez et al 2009. LATJE 4:118-126
  40. 40. Núñez et al 2009. LATJE 4:118-126
  41. 41. Aparición de cantidades invariantes Núñez et al 2009. LATJE 4:118-126
  42. 42. Invarianza en ecología b=-3/4 Enquist and Niklas (2001) Nature 410:655-660
  43. 43. ¿Estas leyes de escala y las cantidades invariantes asociadas con ellas son una casualidad? La universalidad del exponente ¼ puede reflejar los principios universales que determinan como está organizada la vida y las restricciones para su evolución Cada organismo individual, cada especie biológica y cada comunidad ecológica son únicos, con diferencias que incluyen el genoma, las condiciones ambientales y la historia evolutiva. Las leyes de escala reflejan hechos y principios generales que son independientes de la estructura detallada, la dinámica y otras características de cada sistema individual La existencia de estas leyes de escala implica la existencia de poderosas restricciones en todos los niveles de la organización biológica
  44. 44. Cultured cells in vitro, BMb 0 Cells in vivo, BMb –1/4 log(mass of organism) log(power per cell) ¿Qué sucedería si las células de un organismo se liberaran de las restricciones impuestas por la estructura de los niveles superiores? West and Brown (2005) J Exp Biol 208:1575-1592
  45. 45. Muchas gracias!!

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