En l'estudi, es van analitzar organoides, estructures 3D que simulen òrgans reals fetes al laboratori a partir de cèl·lules mare. Es va observar que la identitat cel·lular sorgeix de la interacció entre l'expressió gènica i combinacions úniques d'estructures i conformacions de molècules, incloent-hi ADN, lípids i proteïnes.

Comprendre com les cèl·lules humanes adquireixen identitats específiques, especialment durant el neurodesenvolupament, continua sent un gran desafiament degut a l'accés limitat a teixits embrionaris i a les diferències que presenten els models animals. Els cultius cel·lulars tradicionals en 2D manquen de la complexitat dels teixits reals i no reprodueixen adequadament les interaccions essencials entre les cèl·lules ni amb la matriu extracelul·lar. Els avanços recents en organoides 3D derivats de cèl·lules mares pluripotents induïdes humans (hiPSC) ofereixen noves oportunitats per a estudiar models de desenvolupament primerenc i de malalties in vitro. Tanmateix, aquests sistemes requereixen eines més integradores i holístiques que permetin capturar les transformacions cel·lulars més enllà dels marcadors genètics i proteics. En aquest context, la microespectroscòpia d’infraroig es perfila com una tècnica prometedora, lliure de marcadors, per a monitorar canvis moleculars in situ.

Aquest estudi publicat a Frontiers in Cell and Developmental Biology és el resultat d'una col·laboració a llarg termini entre Tanja Dučić, del Sincrotró ALBA, i Elena Gonzalez-Muñoz, del Departament de Biologia Cel·lular, Genètica i Fisiologia de la Universitat de Màlaga.

En aquesta investigació es van preparar dos tipus d’organoides 3D derivats de cèl·lules mare per a modelar diferents rutes de diferenciació cel·lular. Els cossos embrioides van seguir una diferenciació espontània, donant lloc a cèl·lules característiques de cada una de les tres capes germinals de l’embrió: endoderma, mesoderma i ectoderma. En canvi, els esferoides neuronals es van generar mitjançant un protocol dirigit per a formar un llinatge neuronal complex que incloïa neurones, astròcits i oligodendròcits. Aquests models complementaris van permetre a les investigadores comparar la diferenciació espontània i multipotent amb un desenvolupament de llinatge selectiu i específic en condicions controlades.

Per a explorar les diferències moleculars entre tots dos models, es van analitzar milers d'espectres d’espectroscòpia infraroja obtinguts a partir de múltiples rèpliques biològiques de cossos embrioides i esferoides neuronals, derivats de tres línies clonals independents de hiPSC. Aquest enfocament va assegurar la solidesa estadística i experimental de l'estudi. La llum infraroja generada per la línia de llum MIRAS del Sincrotró ALBA — d'alta intensitat, ampli espectre i gran coherència — va permetre una adquisició espectral d'alta resolució, facilitant així la detecció de diferències bioquímiques subtils en mostres complexes i heterogènies.

L'equip va identificar diferències moleculars consistents entre els dos tipus d’organoides en regions espectrals clau corresponents a lípids, proteïnes i àcids nucleics, la qual cosa reflectia no sols l'expressió gènica, sinó també característiques estructurals i en la composició de les principals biomolècules. De forma destacada, els esferoides neuronals van mostrar un augment en la insaturació lipídica i la presència d'ADN en conformació Z, una forma no canònica associada a la regulació epigenètica durant el desenvolupament neuronal. A més, els dos tipus d’organoides diferien en la seva composició proteica: els esferoides neuronals contenien més proteïnes amb conformació α-helicoidal, mentre que els cossos embrioides presentaven un major contingut de làmines β. Aquestes diferències podrien influir en el funcionament dels teixits o en la seva resposta davant desafiaments durant el desenvolupament.

Aquestes resultats demostren que la identitat de les cèl·lules humanes durant la diferenciació primerenca en el desenvolupament de l’embrió està determinada tant per l'expressió gènica com per trets bioquímics específics — incloses variants estructurals de l'ADN, la composició lipídica i les conformacions proteiques — que donen forma i sostenen activament els estats cel·lulars. “És com una obra de teatre. Està clarament definida pel seu guió, com està escrita. Això serien els gens. Però l’obra també deu la seva identitat a com es representa sobre l’escenari pels actors. Això és l’estructura, forma i composició de les molècules”. explica Tanja Dučić, científica de la línia de llum MIRAS de l’ALBA, on s’han fet les anàlisis de microespectroscòpia infraroja.

En aplicar aquesta tècnica amb llum de sincrotró a models 3D d’organoides humans, les investigadores ofereixen una visió més completa de com es determina el destí cel·lular a través de la interacció entre mecanismes genètics, metabòlics i epigenètics en un context multicel·lular fisiològicament rellevant.

Aquest estudi aborda un buit crític de coneixement en la biologia del desenvolupament i proposa un enfocament no invasiu per a estudiar el desenvolupament neuronal humà, fet que aplana el camí per a futurs avenços en la modelització de malalties, el desenvolupament de fàrmacs, la medicina regenerativa i el control de qualitat de cèl·lules mare. En definitiva, els seus resultats reforcen la rellevància de la composició bioquímica com un tret funcional i traçable de la identitat cel·lular, i obren noves vies per a investigar el desenvolupament humà i les malalties des d'una perspectiva molecular i sistèmica.