complejidad en biología - ester lázaro
TRANSCRIPT
Complejidad en BiologíaEster Lázaro Lázaro
16-05-2016 Curso de Iniciación a los sistemas complejos (Fundacion Sicomoro-Complejimad)
La vida puede adoptar una gran diversidad de formas
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
Propiedades fundamentales de la vida (I): metabolismo
Energía y materia del medio externo
Energía y materia utilizable por los
organismos vivos
Metabolismo
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
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
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
El DNA tiene que ser copiado
Replicación
La información tiene que poder ser transmitida a las siguientes generaciones
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
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
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
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
Propiedades emergentes: de moléculas a macromoléculas
aminoácidoproteínas
Catálisis de la reacciones metabólicas
Defensa
Regulación
Nucleótidos
DNA
Almacenamiento y transmisión de la información
Propiedades emergentes: de macromoléculas a organelos
Fosfolípidos Membranas celulares: separación del medio externo
Proteínas + RNA
Ribosoma
Síntesis de proteínas
Vida
Metabolismo
Almacenaje y procesamiento de la información
Adaptación
Propiedades emergentes: de organelos a la célula
Diferenciación celular
Tejido nervioso
Tejido muscular
Tejido óseo
Elaboración de respuestas
Movimiento
Movimiento
De células a tejidos, órganos y sistemas de órganos
ComunicaciónDivisión del trabajo
Cooperación
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
ComunicaciónDivisión de trabajo
Cooperación
Cadenas tróficas
Ecosistemas
Poblaciones
El flujo de energía en la biosfera
Metabolismo a nivel planetario
Nivel microscópico
Nivel macroscópico
Aumento de las interacciones
perturbación
Amplificación de la perturbación o efecto mariposa
Cambio a escala global
¿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
Cantidad de información
Tamaño del genoma
Nú
mer
o d
e ge
nes
Relación tamaño genómico y número de genes
Número de genes
A. Thaliana
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
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
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.
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
Interacciones entre células (neuronas) en el sistema nervioso
Complejidad a nivel de tejido
Pensamiento, movimiento, sensaciones, cambios en el estado celular
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
Comunicación entre bacterias
División del trabajo
Cooperación
Comportamiento altruista
Comunicación química entre bacterias
Liberación de moléculas señalizadoras
Interacción con receptores de membrana
Activación génica
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
Comportamiento altruista en bacterias
Escasez de nutrientes
Bacterias competidoras
Infección por fagos
Complejidad en las poblaciones virales
Luring et al 2013. Nat Rev Microbiol 11(5):327-36.
Comportamiento cooperativo en virus
PLoS Pathog. 2010 Jul; 6(7): e1001005.
Redes fractales en biología
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
Y = Y0M
bb
Leyes de escala en biología
b = 3/4
Núñez et al 2009. LATJE 4:118-126
Núñez et al 2009. LATJE 4:118-126
Aparición de cantidades invariantes
Núñez et al 2009. LATJE 4:118-126
Invarianza en ecología
b=-3/4
Enquist and Niklas (2001) Nature 410:655-660
¿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
Cultured cellsin vitro, BMb0
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
Muchas gracias!!