Physarum polycephalum

Physarum polycephalum , un moho mucilaginoso acelular ^{[ 1 ]} , o mixomiceto , es una ameba con diversas formas celulares y amplia distribución geográfica. El nombre "acelular" deriva de la etapa plasmodial del ciclo de vida : el plasmodio es un cenocito multinucleado macroscópico de color amarillo brillantecon forma de red de tubos entrelazados. Esta etapa del ciclo de vida, junto con su preferencia por hábitats húmedos y sombríos, probablemente contribuyó a la caracterización errónea original del organismo como un hongo . P. polycephalum se utiliza como organismo modelo para la investigación de la motilidad , la diferenciación celular , la quimiotaxis , la compatibilidad celular y el ciclo celular . ^{[ 2 ]} Es comúnmente cultivado.

Los dos tipos de células vegetativas, amebas y plasmodios , difieren notablemente en morfología, fisiología y comportamiento. Las amebas son microorganismos , típicamente haploides , que viven principalmente en el suelo, donde fagocitan bacterias . En el laboratorio, las amebas se cultivan sobre placas de agar nutritivo con Escherichia coli viva o muerta , donde pueden multiplicarse indefinidamente. El cultivo axénico de amebas se logró mediante la selección de mutantes capaces de crecer en condiciones axénicas. ^{[ 3 ]} En condiciones de inanición o desecación, las amebas se diferencian reversiblemente en esporas latentes con paredes celulares. Cuando se sumergen en agua, las amebas se diferencian reversiblemente en células flageladas, lo que implica una importante reorganización del citoesqueleto. ^{[ 4 ]}

El plasmodio es típicamente diploide y se propaga mediante crecimiento y división nuclear sin citocinesis , lo que da como resultado el sincitio multinucleado macroscópico; en otras palabras, una sola célula grande con múltiples núcleos. Mientras haya nutrientes disponibles, el plasmodio en forma de red puede crecer hasta un pie o más de diámetro. Al igual que las amebas, el plasmodio puede consumir microbios enteros, pero también crece fácilmente de forma axénica en cultivos líquidos, placas de agar nutritivo y en superficies humedecidas con nutrientes. Cuando se proporcionan nutrientes de manera uniforme, los núcleos del plasmodio se dividen sincrónicamente, lo que explica el interés en usar P. polycephalum como organismo modelo para estudiar el ciclo celular, o más específicamente el ciclo de división nuclear. Cuando el plasmodio está en inanición, tiene dos vías de desarrollo alternativas. En la oscuridad, el plasmodio se diferencia típicamente de forma reversible en un esclerocio latente (el mismo término se usa para las formas latentes de micelios fúngicos, pero el esclerocio de los mixomicetos es una estructura muy diferente). Cuando se expone a la luz, el plasmodio, en estado de inanición, se diferencia irreversiblemente en esporangios que se distinguen de otras especies de Physarum por sus múltiples cabezas (de ahí el término policéfalo ). La meiosis ocurre durante el desarrollo de las esporas, dando como resultado esporas latentes haploides. Al exponerse a condiciones húmedas y nutritivas, las esporas se desarrollan en amebas o, en suspensión acuosa, en flagelados . El ciclo de vida se completa cuando las amebas haploides de diferentes tipos de apareamiento se fusionan para formar un cigoto diploide que luego se desarrolla por crecimiento y división nuclear en ausencia de citocinesis en el plasmodio multinucleado. ^{[ 5 ]}

En cepas de laboratorio que portan una mutación en el locus del tipo de apareamiento matA , la diferenciación de los plasmodios de P. polycephalum puede ocurrir sin la fusión de amebas, lo que resulta en plasmodios haploides que son morfológicamente indistinguibles de la forma diploide más típica. ^{[ 6 ]} Esto permite un análisis genético más sencillo de los rasgos plasmodiales que de otro modo requerirían retrocruzamiento para lograr la homocigosidad para el análisis de mutaciones recesivas en diploides. Los esporangios de los plasmodios haploides generan esporas con baja fertilidad, y se supone que las esporas viables se desarrollan a partir de la meiosis de raros núcleos diploides en los plasmodios de P. polycephalum que de otro modo serían haploides . El desarrollo apogámico también puede ocurrir en la naturaleza en varias especies de mixomicetos. ^{[ 7 ]} En la figura del ciclo de vida de P. polycephalum , el ciclo sexual típico haploide-diploide se representa en el circuito exterior y el ciclo apogámico en el circuito interior. Cabe destacar que una ameba apogámica conserva la especificidad de su tipo de apareamiento matA1 y aún puede fusionarse sexualmente con una ameba de un tipo de apareamiento diferente para formar un plasmodio heterocigoto diploide, otra característica que facilita el análisis genético.

Como indica el diagrama del ciclo de vida, las amebas y los plasmodios difieren notablemente en su potencial de desarrollo. Otra diferencia importante radica en el mecanismo de la mitosis. Las amebas presentan una "mitosis abierta" durante la cual la membrana nuclear se desintegra, como es típico en las células animales, antes de volver a ensamblarse tras la telofase . Los plasmodios presentan una "mitosis cerrada" durante la cual la membrana nuclear permanece intacta. Esto presumiblemente impide que se produzca la fusión nuclear durante la mitosis en el sincitio multinucleado. En apoyo de esta inferencia, las amebas mutantes con defectos en la citocinesis se desarrollan en células multinucleadas, y las fusiones nucleares durante la mitosis son frecuentes en estos mutantes. ^{[ 8 ]}

El plasmodio de los mixomicetos, y especialmente el de Physarum polycephalum, es conocido por su flujo citoplasmático. ^{[ 9 ]} El citoplasma experimenta un flujo de vaivén rítmico, cambiando de dirección típicamente cada 100 segundos. Los flujos pueden alcanzar velocidades de hasta 1 mm/s. Dentro de la red tubular, los flujos surgen debido a las contracciones transversales de los tubos, generadas por la contracción y relajación de la capa externa membranosa de los tubos, enriquecida con corteza de actomiosina . En los plasmodios estacionarios, las contracciones tubulares se organizan espacialmente a lo largo de todo el plasmodio en una onda peristáltica. ^{[ 10 ]} 

Es probable que el flujo citoplasmático contribuya a la migración del plasmodio. Aquí, se observa que los patrones de contracción se correlacionan con la velocidad de migración. ^{[ 11 ]} Para los microplasmodios con forma de mancuerna, a menudo denominados plasmodios ameboides, el endurecimiento de la corteza en la parte posterior en comparación con la parte frontal parece fundamental para romper la simetría y permitir que la onda de contracción se traduzca en migración. ^{[ 12 ]}

Los flujos citoplasmáticos permiten el transporte y la dispersión de moléculas a larga distancia dentro del citoplasma. El mecanismo físico empleado aquí es la dispersión de Taylor . En condiciones de inanición, el organismo puede reorganizar la morfología de su red y, por lo tanto, mejorar sus capacidades de dispersión. ^{[ 13 ]} De hecho, los flujos incluso se utilizan para transportar señales a través de la red del plasmodio. ^{[ 14 ]} Es probable que la retroalimentación de las señales transportadas sobre el tamaño del tubo sea la base de la capacidad de Physarum para encontrar el camino más corto a través de un laberinto. ^{[ 15 ]}

Se ha demostrado que Physarum polycephalum exhibe características similares a las observadas en organismos unicelulares e insectos eusociales . Por ejemplo, un equipo de investigadores japoneses y húngaros ha demostrado que P.  polycephalum puede resolver el problema del camino más corto . Cuando se cultiva en un laberinto con avena en dos puntos, P.  polycephalum se retira de todo el laberinto, excepto de la ruta más corta que conecta las dos fuentes de alimento. ^{[ 15 ]}

Cuando se le presentan más de dos fuentes de alimento, P.  polycephalum aparentemente resuelve un problema de transporte más complejo . Con más de dos fuentes, la ameba también produce redes eficientes. ^{[ 16 ]} En un artículo de 2010, se dispersaron copos de avena para representar Tokio y 36  ciudades circundantes. ^{[ 17 ] [ 18 ]} P.  polycephalum creó una red similar al sistema ferroviario existente, y "con eficiencia, tolerancia a fallas y costo comparables". Se han mostrado resultados similares basados ​​en redes de carreteras en el Reino Unido ^{[ 19 ]} y la Península Ibérica (es decir, España y Portugal ). ^{[ 20 ]} P. polycephalum no solo puede resolver estos problemas computacionales, sino que también exhibe algún tipo de memoria . Al hacer repetidamente que el entorno de prueba de un espécimen de P. polycephalum fuera frío y seco durante intervalos de 60 minutos, los biofísicos de la Universidad de Hokkaido descubrieron que el moho mucilaginoso parece anticipar el patrón reaccionando a las condiciones cuando no repitieron las condiciones para el siguiente intervalo. Al repetir las condiciones, reaccionaría esperando los intervalos de 60 minutos, así como al realizar pruebas con intervalos de 30 y 90 minutos. ^{[ 21 ] [ 22 ]}     

También se ha demostrado que P.  polycephalum se reasigna dinámicamente para mantener niveles aparentemente constantes de diferentes nutrientes simultáneamente. ^{[ 23 ] [ 24 ]} En un caso particular, un espécimen colocado en el centro de una placa de Petri se reasignó espacialmente sobre combinaciones de fuentes de alimento que tenían diferentes proporciones de proteínas y carbohidratos . Después de 60  horas, se midió el área del moho mucilaginoso sobre cada fuente de alimento. Para cada espécimen, los resultados fueron consistentes con la hipótesis de que la ameba equilibraría la ingesta total de proteínas y carbohidratos para alcanzar niveles particulares que eran invariables a las proporciones reales presentadas al moho mucilaginoso.

Como el moho mucilaginoso no posee un sistema nervioso que pueda explicar estos comportamientos inteligentes, ha habido un considerable interés interdisciplinario en comprender las reglas que rigen su comportamiento. Los científicos están intentando modelar el moho mucilaginoso utilizando una serie de reglas simples y distribuidas. Por ejemplo, P.  polycephalum se ha modelado como un conjunto de ecuaciones diferenciales inspiradas en redes eléctricas. Se ha demostrado que este modelo puede calcular las rutas más cortas. ^{[ 25 ]} Se ha demostrado que un modelo muy similar resuelve el problema del árbol de Steiner . ^{[ 26 ]} Sin embargo, estos modelos son externamente consistentes pero no internamente explicativos, y como es habitual en la modelización, se simplifican —en este caso, asumiendo la conservación de la energía —. Para construir modelos más realistas, es necesario recopilar más datos sobre la estructura de la red del moho mucilaginoso. Con este fin, los investigadores están analizando la estructura de red de P.  polycephalum cultivado en laboratorio . ^{[ 27 ]}

En un libro ^{[ 28 ]} y varios preprints que no han sido revisados ​​por pares, ^{[ 29 ] [ 30 ]} se ha afirmado que, debido a que los plasmodios parecen reaccionar de manera consistente a los estímulos, son el "sustrato ideal para futuros dispositivos de biocomputación emergentes ". ^{[ 30 ]} Se ha presentado un esquema que muestra cómo podría ser posible apuntar, dirigir y dividir con precisión el plasmodio usando luz y fuentes de alimento, ^{[ 30 ]} especialmente raíz de valeriana . ^{[ 31 ]} Además, se ha informado que los plasmodios pueden hacerse para formar puertas lógicas , ^{[ 29 ]} lo que permite la construcción de computadoras biológicas. En particular, los plasmodios colocados en las entradas de laberintos con formas geométricas especiales emergerían en salidas del laberinto que serían consistentes con tablas de verdad para ciertos conectores lógicos primitivos. Sin embargo, como estas construcciones se basan en modelos teóricos del moho mucilaginoso, en la práctica estos resultados no son escalables para permitir la computación real. Cuando las compuertas lógicas primitivas se conectan para formar funciones más complejas, el plasmodio deja de producir resultados consistentes con las tablas de verdad esperadas.

Aunque actualmente no es posible realizar cálculos complejos utilizando Physarum como sustrato, los investigadores han utilizado con éxito la reacción del organismo a su entorno en un sensor USB ^{[ 32 ]} y para controlar un robot. ^{[ 33 ]}

P. polycephalum produce sus propias sustancias antivirales. Mayhew y Ford (1971) descubrieron que un extracto de P. polycephalum previene algunas enfermedades de los cultivos : el virus del mosaico del tabaco y el virus de la mancha anular del tabaco son inhibidos por un producto de P. polycephalum . Tanto Nicotiana tabacum como los frijoles Phaseolus vulgaris y Vigna sinensis no sufrieron prácticamente ninguna lesión in vitro causada por el TMV o el TRSV cuando fueron tratados con un extracto de P. polycephalum . Sin embargo, el virus del mosaico del frijol del sur no se vio afectado. ^{[ 34 ] [ 35 ] : 288}

P. polycephalum presenta una estructura compleja de ADN mitocondrial ( ADNmt ) que se distingue tanto por su composición como por sus mecanismos funcionales. El ADNmt de Physarum polycephalum se caracteriza por su singular proceso de edición de ARN .

El ADNmt de P. polycephalum comprende hasta 81 genes, de los cuales un número significativo son criptogenes que requieren edición de ARN para su expresión funcional. Estos emplean el proceso de edición de ARN cotranscripcional conocido como MICOTREM ( Edición de ARN cotranscripcional insercional mitocondrial en mixomicetos ) . [ ^{36 ] Este} proceso es crucial para la expresión de 43 criptogenes dentro del ADNmt. A diferencia de otros organismos donde la edición de ARN generalmente involucra ARN guía , MICOTREM implica la edición insercional de ARN, donde se agregan nucleótidos no moldeados específicos al transcrito de ARN. La ARN polimerasa mitocondrial facilita este proceso agregando citidinas , uridinas o un subconjunto de dinucleótidos al transcrito de ARN naciente en sitios de edición específicos. El mecanismo exacto y la especificación de los sitios de edición en MICOTREM son complejos y no se comprenden completamente, y la investigación actual se centra en los posibles mecanismos que implican la formación de dúplex de ARN-ADN y el papel de la ARN polimerasa mitocondrial.

El ADNmt de este organismo también incluye secuencias derivadas de un plásmido mitocondrial lineal . ^{[ 37 ]}

• Sedolisina
• ribonucleasa de Physarum polycephalum

• Gawlitta, W.; Wolf, KV; Hoffmann, HU; Stockem, W. (1980). "Estudios sobre microplasmodios de Physarum polycephalum " . Cell and Tissue Research . 209 (1): 71– 86. doi : 10.1007/bf00219924 . PMID 7191783. S2CID 23561113 .  
• Henry Stempen; Steven L. Stevenson (1994). Mixomicetos. Manual de mohos mucilaginosos . Timber Press. ISBN 978-0-88192-439-8.

• Dussutour, Audrey. Charla impartida por una especialista francesa en mohos mucilaginosos (vídeo). TEDx. Archivado del original el 19 de diciembre de 2021 ( vía YouTube).(En francés, con subtítulos en inglés disponibles)
• "PhysarumPlus" . Un recurso en internet para estudiantes de Physarum polycephalum y otros mohos mucilaginosos acelulares.
• Ball, Philip (2008). " La memoria celular sugiere los orígenes de la inteligencia" . Nature . 451 (7177): 385. Bibcode : 2008Natur.451..385B . doi : 10.1038/451385a . PMID 18216817. S2CID 4423452. El potencial de aprendizaje y memoria de Physarum polycephalum  
• Vídeo a cámara rápida del crecimiento de Physarum en una placa de Petri (vídeo). Archivado del original el 19/12/2021 – vía YouTube.
• "Colectivo de Moho Limo" . Una red internacional de/para organismos inteligentes.
• "NEFI" . Software que se puede utilizar para extraer redes de imágenes de Physarum.
• La mente secreta del limo . NOVA. 16 de septiembre de 2020. Consultado el 18 de septiembre de 2021 .(Temporada 47, Episodio 12 | 53 min 17 s)
• The Blob: Un genio sin cerebro (programa de televisión). BBC. 29 de septiembre de 2021 – vía bbc.co.uk.
• Une montre alimentée par un blob (artículo de blog). Troidecis.