En el estudio, se analizaron organoides, estructuras tridimensionales que simulan órganos reales hechas en el laboratorio a partir de células madre. Se observó que la identidad celular surge de la interacción entre la expresión génica y combinaciones únicas de estructuras y conformaciones de moléculas, incluyendo ADN, lípidos y proteínas.

Comprender cómo las células humanas adquieren identidades específicas, especialmente durante el neurodesarrollo, sigue siendo un gran desafío debido al acceso limitado a tejidos embrionarios y a las diferencias que presentan los modelos animales. Los cultivos celulares tradicionales en 2D carecen de la complejidad de los tejidos reales y no reproducen adecuadamente las interacciones esenciales entre las células ni con la matriz extracelular. Los avances recientes en organoides 3D derivados de células madre pluripotentes inducidas humanas (hiPSC) ofrecen nuevas oportunidades para estudiar modelos de desarrollo temprano y de enfermedades in vitro. Sin embargo, estos sistemas requieren herramientas más integradoras y holísticas que permitan capturar las transformaciones celulares más allá de los marcadores genéticos y proteicos. En este contexto, la microespectroscopía de infrarrojo se perfila como una técnica prometedora, libre de marcadores, para monitorizar cambios moleculares in situ.

Este estudio, publicado en Frontiers in Cell and Developmental Biology, es el resultado de una colaboración a largo plazo entre Tanja Dučić, del Sincrotrón ALBA, y Elena Gonzalez-Muñoz, del Departamento de Biología Celular, Genética y Fisiología de la Universidad de Málaga.

En la investigación se prepararon dos tipos de organoides 3D derivados de células madre para modelar distintas rutas de diferenciación celular. Los cuerpos embrioides siguieron una diferenciación espontánea, dando lugar a células características de cada una de las tres capas germinales del embrión: endodermo, mesodermo y ectodermo. En cambio, los esferoides neuronales se generaron mediante un protocolo dirigido para formar un linaje neuronal complejo que incluía neuronas, astrocitos y oligodendrocitos. Estos modelos complementarios permitieron a las investigadoras comparar la diferenciación espontánea y multipotente con un desarrollo de linaje selectivo y específico en condiciones controladas.

Para explorar las diferencias moleculares entre ambos modelos, se analizaron miles de espectros de espectroscopía infrarroja obtenidos a partir de múltiples réplicas biológicas de cuerpos embrioides y esferoides neuronales, derivados de tres líneas clonales independientes de hiPSC. Este enfoque aseguró la solidez estadística y experimental del estudio. La luz infrarroja generada por la línea de luz MIRAS del Sincrotrón ALBA —de alta intensidad, amplio espectro y gran coherencia— permitió una adquisición espectral de alta resolución, facilitando así la detección de diferencias bioquímicas sutiles en muestras complejas y heterogéneas.

El equipo identificó diferencias moleculares consistentes entre los dos tipos de organoides en regiones espectrales clave correspondientes a lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, lo que refleja no sólo la expresión génica, sino también características estructurales y de composición de las principales biomoléculas. De forma destacada, los esferoides neuronales mostraron un aumento en la insaturación lipídica y la presencia de ADN en conformación Z, una forma no canónica asociada a la regulación epigenética durante el desarrollo neural. Además, los dos tipos de organoides diferían en su composición proteica: los esferoides neuronales contenían más proteínas con conformación α-helicoidal, mientras que los cuerpos embrioides presentaban un mayor contenido de láminas β. Estas diferencias podrían influir en el funcionamiento de los tejidos o en su respuesta ante desafíos durante el desarrollo.

Estos resultados demuestran que la identidad de las células humanas durante la diferenciación temprana en el desarrollo del embrión está determinada tanto por la expresión génica como por rasgos bioquímicos específicos — incluidas variantes estructurales del ADN, la composición lipídica y las conformaciones proteicas — que dan forma y sostienen activamente los estados celulares. “Es como una obra de teatro. Está claramente definida por su guion, cómo está escrita. Esto serían los genes. Pero la obra también debe su identidad a cómo se representa sobre el escenario por los actores. Esto es la estructura, forma y composición de las moléculas.” explica Tanja Dučić, científica en la línea de luz MIRAS del ALBA, donde se hicieron los análisis de microespectroscopía infrarroja.

Al aplicar esta técnica con luz de sincrotrón a modelos 3D de organoides humanos, las investigadoras ofrecen una visión más completa de cómo se determina el destino celular a través de la interacción entre mecanismos genéticos, metabólicos y epigenéticos en un contexto multicelular fisiológicamente relevante.

Este estudio aborda un vacío crítico de conocimiento en la biología del desarrollo y propone un enfoque no invasivo para estudiar el desarrollo neuronal humano, lo que allana el camino para futuros avances en la modelización de enfermedades, el desarrollo de fármacos, la medicina regenerativa y el control de calidad de células madre. En definitiva, sus resultados refuerzan la relevancia de la composición bioquímica como un rasgo funcional y rastreable de la identidad celular, y abren nuevas vías para investigar el desarrollo humano y las enfermedades desde una perspectiva molecular y sistémica.