Fa molt temps que els científics estan fascinats per la complexitat i adaptabilitat dels organismes vius. Ara, un projecte innovador que compta amb participació del catedràtic del Departament de Medicina i Ciències de la Vida (MELIS) de la Universitat Pompeu Fabra, Jordi García-Ojalvo, i coordinat per la Dra. Aneta Koseka a l’Institut Max Planck de Neurobiologia del Comportament (Caesar) a Bonn, Alemanya, (MPINB), ha aconseguit una subvenció ERC Synergy d’11,2 milions d’euros per impulsar-lo. L’objectiu del projecte és revelar un concepte sorprenent: que les cèl·lules individuals tenen la capacitat d’aprendre del seu entorn. Aquesta ambiciosa iniciativa d’investigació ha estat reconeguda amb la prestigiosa ERC Synergy Grant per a la Dra. Aneta Koseska, al Prof. Jordi García-Ojalvo de la UPF, al Prof. Dietmar Schmucker de la Universitat de Bonn i al Prof. Jeremy Gunawardena de la Facultat de Medicina de Harvard. L’ajut d’11,2 milions d’euros suposarà un impuls significatiu en el finançament del projecte perquè aquest equip explori com les cèl·lules individuals creen representacions internes del món exterior. 

Segons el professor de la UPF Jordi García-Ojalvo, “de la mateixa manera que un cervell representa internament la informació que rep del seu entorn a les xarxes neuronals que el conformen, una cèl·lula pot fer el mateix fent servir les seves xarxes de gens i proteïnes”. “Això dona a les cèl·lules individuals una capacitat molt important per processar informació”, afegeix García-Ojalvo.

“Considerem que les cèl·lules no són només entitats passives que executen programes predefinits”, diu la Dra. Koseska, cap del grup d’investigació Computació i Aprenentatge Cel·lular de Lise Meitner. “En canvi, processen informació activament, formen models interns del seu entorn i fan servir aquests models per prendre decisions depenents del context, molt semblants a l’aprenentatge”.

Organismes models diversos per descobrir mecanismes universals

La investigació se centrarà en una àmplia gamma d’organismes model, inclosos bacteris com Bacillus subtilis, eucariotes unicel·lulars com Paramecium i Tetrahymena, models de cultius de cèl·lules neuronals i neurones dins del cervell de la mosca de la fruita Drosophila melanogaster. Estudiant aquests sistemes de manera comparativa, l’equip pretén identificar mecanismes moleculars genèrics mitjançant els quals té lloc l’aprenentatge unicel·lular.

Xarxa genètica d'una cèl·lula humana. Foto: UPF
 

“Examinant un conjunt tan divers d’organismes, esperem descobrir principis fonamentals que governen l’aprenentatge en l'àmbit cel·lular”, explica el professor Jordi García-Ojalvo. “Aquest enfocament comparatiu ens permet identificar mecanismes que es conserven en diferents formes de vida, proporcionant un marc unificador que vincula diverses àrees i escales de la biologia”.   

De cèl·lules individuals a sistemes nerviosos complexos

Un dels objectius més ambiciosos del projecte és entendre com les neurones individuals durant el desenvolupament del cervell aprenen a formar, estabilitzar o eliminar branques axonals. Aquest procés genera patrons sinàptics estereotipats en condicions molt variables. Obtenint informació sobre aquests mecanismes, l’equip pretén abordar qüestions biològiques fonamentals sobre com s’estableix l’aprenentatge i la memòria en l'àmbit cel·lular.

“Entendre com les neurones estableixen connexions precises és essencial per desxifrar el funcionament del sistema nerviós”, afirma el Dr. Schmucker. “Volem descobrir com les neurones individuals aprenen a formar aquestes connexions malgrat la complexitat i la variabilitat del seu entorn”.

Formulació d’una teoria integral de l’aprenentatge cel·lular

L’equip interdisciplinari de científics reunits en el projecte, titular “CeLEARN: aprenentatge en cèl·lules individuals a través de representacions internes dinàmiques”, té una experiència combinada que comprèn la teoria de la informació, els sistemes dinàmics, la biologia cel·lular i el desenvolupament neuronal.  

Durant els pròxims sis anys, el projecte CeLEARN aprofitarà la sinergia del seu consorci internacional per ampliar els límits de la comprensió que tenim fins ara sobre el funcionament cel·lular. Examinant comparativament diversos organismes model, l’equip té com a objectiu identificar les representacions internes centrals i els mecanismes moleculars universals que permeten l’aprenentatge unicel·lular. Això podria revelar principis fonamentals aplicables a tot l’arbre de la vida, des dels bacteris fins a les neurones que formen xarxes en el cervell en desenvolupament.

Mirant cap al futur

S’espera que els coneixements resultants del projecte CeLEARN suposin un important pas endavant per entendre com les cèl·lules aprenen i s’adapten. Identificant els mecanismes moleculars que hi ha sota l’aprenentatge unicel·lular, la investigació podria aplanar el camí per a teràpies innovadores per a malalties derivades de la disfunció cel·lular i contribuir al desenvolupament de noves tecnologies que aprofitin les capacitats d’aprenentatge de les cèl·lules.