La fecundación es un proceso fundamental para la preservación de la vida. En este proyecto abordamos el estudio de cómo el espermatozoide se aproxima al huevo. Como todo proceso biológico, involucra la convergencia de multitud de factores, por lo que un enfoque integrador desde la perspectiva de los sistemas complejos resulta ideal para su entendimiento. Por otra parte, la biología es una ciencia experimental. Para la investigación que aquí se plantea tenemos la fortuna, poco frecuente, de la convergencia de un grupo de trabajo teórico con una amplia trayectoria en el estudio de sistemas complejos basado en el Instituto de Ciencias Físicas y un laboratorio experimental, líder internacional en el campo, localizado en el Instituto de Biotecnología, ambos de la UNAM. Se trata de la continuación de una colaboración iniciada hace varios años en el contexto un proyecto de PAPIIT, donde estudiamos las relaciones entre el nado del espermatozoide de erizo de mar y las fluctuaciones de calcio en el flagelo, disparadas por compuestos circundantes al huevo. En aquella ocasión se construyeron modelos con dinámica discreta en redes lógicas para la vía de señalización del calcio que dieron lugar a predicciones posteriormente corroboradas por el grupo experimental.

En nuestro programa de trabajo desarrollaremos modelos que permitan aflorar rasgos sistémicos ausentes en estudios puntuales: Buscamos identificar elementos dominantes de la red de señalización, algunos de los cuales pudiera ser que aún no se hayan considerado, por ejemplo el canal CatSper que en mamíferos ha sido asociado al desarrollo de anticonceptivos masculinos. Estudiaremos si la red presenta un régimen dinámico crítico donde robustez puede ser compatible con capacidad evolutiva. Implementaremos versiones continuas de la dinámica en términos de ecuaciones diferenciales acopladas que permitan un cotejo en unidades de tiempo real con experimentos y procederemos a formulaciones de dinámicas estocásticas más acordes con la biología molecular. Analizaremos la retroalimentación entre oscilaciones de la red y perturbaciones oscilatorias generadas por el nado en medios con gradientes de péptidos derivados del huevo. Se conjetura que la sincronización entre estos osciladores condiciona la presencia de quimiotaxis. Procuraremos descifrar estrategias de exploración espacial de los espermatozoides en términos de procesos estocásticos, aprovechando las determinaciones del nado en tres dimensiones, realizadas por primera vez a nivel mundial en nuestro laboratorio. Nos adentraremos al estudio de la fecundación en mamíferos, trasladando nuestro tratamiento para erizos de mar con miras a entender la bioquímica subyacente al proceso de capacitación que confiere al espermatozoide la habilidad de fecundar.

Las herramientas que emplearemos provienen mayoritariamente del estudio de sistemas dinámicos nolineales, de la física estadística fuera de equilibrio y del análisis de redes complejas. Aunque en este proyecto el énfasis está sobre consideraciones teóricas, se llevarán a cabo experimentos de frontera, aprovechando tambien las recientes instalaciones del Laboratorio Nacional de Microscopía Avanzada.

Una medida de lo innovador del proyecto son los comentarios altamente alentadores provocados por la sinergia teoría-experimento expuesta por el responsable del proyecto en la única platica teórica invitada de la Conferencia Gordon: Fertilization and Early Development. Esta reunión resume el estado del arte en esa área. Parece ser, que por esta ocasión, nos encontramos por delante de los tiempos.

La contribución que define al proyecto es la implementación de un estudio teórico-experimental, interdisciplinario, en el cual se conjunta el enfoque integrador de los sistemas complejos con desarrollos experimentales que posibilitan mediciones cada vez más precisas con una resolución temporal cada vez mayor. Lo innovador de nuestro trabajo se hizo más que patente en la reunión Gordon de julio 2013 reseñada en los antecedentes. Con nuestro tratamiento de la fecundación implementamos las siguientes líneas de investigación, algunas de las cuales pudiesen tener una repercusión social y económica considerable (ver inciso 3):
1) Un análisis sistémico, donde vías de señalización se visualizan como redes de elementos interactuantes que dan lugar a comportamientos colectivos. De esta forma pueden aflorar comportamientos globales como por ejemplo el descubrimiento de que se opere en un régimen dinámico crítico, marginal entre el caos y el orden, con correlaciones a todas escalas tal como sucede en los fenómenos críticos. En esta forma de abordar la generación de las oscilaciones de calcio determinantes de la natación de los espermatozoides se integran en el estudio de la fecundación conceptos de fenómenos críticos y dinámica no-lineal.
2) Experimentos de alta precisión donde se examinarán las correlaciones de variaciones en el pH y las fluctuaciones de [Ca2+] intracelular. Aquí se conjuga el desarrollo de técnicas experimentales de alta precisión que permiten por primera vez determinaciones en célula única con análisis de series temporales desarrolladas para el estudio de dinámicas no-lineales encaminadas a la detección de componentes sistemáticos, deterministas, posiblemente regulares a pesar de la presencia de un ruido de fondo considerable.
3) La integración de estudios sobre fertilización realizados en mamíferos con los erizos de mar. Resultados preliminares de estos estudios aunados a los de los dos incisos anteriores parecen sugerir la consideración de un canal de calcio, fuertemente pH dependiente, débilmente sensible al voltaje de membrana, propiedades que en los mamíferos presenta el canal CatSper aún no bien identificado en erizos de mar. Cabe mencionar que experimentos encaminados a la detección de CatSper en equinodermos están actualmente en proceso en el IBT. De estar presente CatSper en erizos de mar se abre la posibilidad de realizar experimentos en erizos de mar sobre ese canal que pudiesen proporcionar información sobre su función en mamíferos donde se considera relevante para la investigación de anticonceptivos masculinos. La relevancia, económica, social y cultural de estos estudios es evidente. Por otra parte, implementación de los métodos de estudio desarrollados para el espermatozoide de erizo de mar proporciona un enfoque novedoso, promisorio para el estudio de la capacitación en mamíferos.
4) Desarrollos experimentales de frontera para la detección en tres dimensiones del nado de espermatozoides de erizo de mar que requieren también de un software diseñando ex profeso para dar seguimiento a las trayectorias.
5) La implementación de modelos estocásticos de caminantes aleatorios en tres dimensiones en términos de variables de torsión y curvatura determinados en las llamadas coordenadas de Frenet-Serret. Esto involucra desarrollos para procesos estocásticos considerados en física estadística fuera de equilibrio en marcos de referencia definidos sobre trayectorias.