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El largo y sinuoso cuento de la ciencia del esperma

El tatuaje de Scott Pitnick no es exactamente sutil. El esperma masivo en blanco y negro se retuerce y espira hacia arriba en su antebrazo derecho, pareciendo enterrarse dentro y fuera de su piel antes de emerger en una cabeza del tamaño de un puño en su bíceps. El biólogo de la Universidad de Syracuse tampoco está reservado sobre su arte corporal inusual, que una vez apareció en un montaje de tatuajes científicos notables publicados en The Guardian .

Para Pitnick, su tinta intrincada refleja su profunda fascinación por la "biología increíblemente única de los espermatozoides". Considere, dice, que los espermatozoides son las únicas células en el cuerpo destinadas a ser expulsadas a un ambiente extraño, una hazaña que requiere cambios físicos dramáticos. viajan desde los testículos al tracto reproductivo de una mujer.

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"Ninguna otra célula hace eso", dice Pitnick, quien ha estado estudiando esperma por más de 20 años. "Tienen esta autonomía".

En su laboratorio, Pitnick diseña las cabezas de los espermatozoides de las moscas de la fruta para que brillen en un rojo y un verde fantasmales para que pueda observar cómo se mueven a través de los tractos reproductores de las moscas hembra disecadas. Espera que su trabajo ayude a revelar cómo se comportan los espermatozoides dentro de los cuerpos femeninos, un área de investigación que todavía está en su infancia relativa. Este tipo de innovaciones podrían algún día explicar la gran diversidad de formas y tamaños de esperma en todo el reino animal. Además, en última instancia, podrían ayudar a los investigadores a desarrollar tratamientos de infertilidad humana, así como anticonceptivos masculinos más efectivos.

"No entendemos casi nada sobre la función de los espermatozoides, qué hacen los espermatozoides", dice Pitnick. Muchas de las respuestas a estas incógnitas probablemente se esconden dentro de la otra mitad del rompecabezas de los espermatozoides: cuerpos femeninos.

Esto podría ser una decepción para los valientes biólogos que vieron por primera vez las células de esperma en todo su esplendor en los siglos XVII y XVIII, utilizando el microscopio revolucionario entonces. Estos primeros científicos espermáticos se encargaron de responder las preguntas más básicas, por ejemplo: ¿los espermatozoides son animales vivos? ¿Son parásitos? Y, ¿Cada esperma contiene un pequeño humano adulto preformado acurrucado dentro? (Llegaremos a eso más tarde).

Sperm_Image_1-WR.jpg Las primeras observaciones microscópicas de Leeuwenhoek de esperma de conejo (figs. 1-4) y esperma de perro (figs. 5-8). (Wikimedia Commons)

La persona con el dudoso honor de ser el primero en estudiar los espermatozoides en detalle fue Anton van Leeuwenhoek, un holandés que desarrolló el primer microscopio compuesto. Van Leeuwenhoek utilizó por primera vez su nueva herramienta para examinar temas más castos como aguijones de abejas, piojos humanos y agua de lagos a mediados de la década de 1670.

Los colegas lo instaron a que cambiara su lente al semen. Pero le preocupaba que fuera indecente escribir sobre semen y relaciones sexuales, por lo que se detuvo. Finalmente, en 1677, se rindió. Examinando su propia eyaculación, fue golpeado inmediatamente por las pequeñas "animalcules" que encontró retorciéndose dentro.

Dudando incluso de compartir sus hallazgos con sus colegas, y mucho menos tatuarse un escurridor en su brazo, van Leeuwenhoek escribió vacilante a la Royal Society of London sobre su descubrimiento en 1677. " Si su señoría debería considerar que estas observaciones pueden disgustar o escandalizar a los eruditos, Le ruego sinceramente a su señoría que los considere privados y que los publique o los destruya como le parezca conveniente .

Su señoría (también conocido como el presidente de la Royal Society) optó por publicar los hallazgos de van Leeuwenhoek en la revista Philosophical Transactions en 1678, engendrando así el nuevo campo de la biología del esperma.

Es difícil exagerar lo misteriosas que estas comas microscópicas y retorcidas habrían aparecido para los científicos en ese momento. Antes del descubrimiento de estos "animalcules", las teorías de cómo los humanos hicieron más humanos variaron ampliamente, dice Bob Montgomerie, un biólogo que estudia la reproducción animal en la Universidad de Queen en Canadá. Por ejemplo, algunos creían que el vapor emitido por la eyaculación masculina estimulaba de alguna manera a las hembras a tener bebés, mientras que otros creían que los hombres realmente hacían bebés y los transferían a las hembras para incubación.

"Puedes imaginar lo difícil que es cuando no tienes idea de lo que está pasando", dice Montgomerie. Es decir: sin poder ver esperma y óvulos, estos científicos realmente solo estaban sacando teorías de la nada.

Preformation.jpg En el siglo XVII, muchos investigadores creían que cada espermatozoide contenía un pequeño humano completamente preformado dentro de él, como se ilustra en este boceto de 1695 de Nicolaas Hartsoeker. (Wikimedia Commons)

Incluso después de que van Leeuwenhoek descubriera el esperma en 1677, pasaron aproximadamente 200 años antes de que los científicos acordaran cómo se formaron los humanos. En el camino surgieron dos campos principales de pensamiento: por un lado, los "preformacionistas" creían que cada espermatozoide, o cada óvulo, dependiendo de a quién le pregunte, contenía un pequeño humano completamente preformado. Según esta teoría, el óvulo, o esperma, simplemente proporcionaba un lugar para que ocurriera el desarrollo.

Por otro lado, los "epigenesistas" argumentaron que tanto hombres como mujeres contribuyeron con material para formar un nuevo organismo, aunque no estaban seguros de quién contribuyó exactamente qué. Los descubrimientos a lo largo de la década de 1700 ofrecieron más evidencia para este argumento, incluido el descubrimiento de 1759 de que los pollitos desarrollan órganos de forma incremental. (Montgomerie señala esto en el libro Sperm Biology: An Evolutionary Perspective, que fue editado por colegas como Pitnick).

Con mejoras en el microscopio, los investigadores de mediados del siglo XIX observaron el desarrollo embrionario dentro de los huevos de erizo de mar, que son convenientemente transparentes. Estas observaciones continuaron refutando el concepto de preformación, y permitieron a los investigadores comenzar a preguntar cómo los espermatozoides y los óvulos trabajan juntos para crear nuevos organismos.

La investigación sobre esperma también arroja luz sobre otros sistemas del cuerpo. En la década de 1960, los investigadores identificaron la proteína dineína, que es responsable del movimiento de los espermatozoides. "Resulta que la misma proteína motora es responsable de todo tipo de procesos que ocurren en las células", dice Charles Lindemann, profesor emérito de la Universidad de Oakland en Michigan que estudió la motilidad de los espermatozoides. Hoy sabemos que la dineína está involucrada en el movimiento de estructuras celulares microscópicas como los cilios y los flagelos, que son clave para muchas funciones corporales.

Aún así, el progreso temprano en la investigación de fertilidad tardó en despegar. Simplemente no había muchos científicos activos en ese entonces, y mucho menos científicos de esperma, dice Montgomerie. Estima que solo había varias docenas de personas investigando esperma en ese momento; en comparación, aproximadamente 400, 000 científicos estudian el cáncer hoy. "Había algunas personas haciéndolo, pero tal vez no lo suficiente", dice Montgomerie.

Pitnick agrega que los pocos primeros investigadores que estudiaron los espermatozoides pueden no haber apreciado completamente el papel del sistema reproductivo femenino en la ecuación de la fertilidad, un descuido que podría explicar por qué esta área todavía es un misterio en la actualidad. "Parte de eso es un sesgo masculino en biología de pensar que la mujer no es una parte importante de la historia, y eso se remonta en la biología del esperma a toda esta idea de preformación", dice Pitnick.

En el aspecto más técnico, observar el movimiento de los espermatozoides dentro de la hembra es logísticamente muy desafiante. Como señala Pitnick, es bastante difícil colocar una cámara dentro de un aparato reproductor femenino.

Ese es el genio detrás de su brillante esperma de mosca de la fruta y la capacidad de monitorearlos en tiempo real. El video de arriba muestra el tracto reproductivo eliminado de una mosca de la fruta hembra, que Pitnick ha mantenido intacta en una solución salina. Cuando vivía, esa hembra se apareó con un macho de esperma verde, y luego se volvió a aparear unos días más tarde con un macho de esperma rojo. Solo las cabezas de los espermatozoides están marcadas con la proteína fluorescente, por lo que no se pueden ver las colas de los espermatozoides.

Con este tipo de tecnología, Pitnick puede comprender por qué existe tanta variedad en la forma y el tamaño de los espermatozoides. Por ejemplo, el esperma resplandeciente que estudia tiene colas mega largas que alcanzan hasta 6 centímetros de longitud cuando se desenrolla, aproximadamente la longitud de su dedo meñique, y el más largo conocido en el reino animal. Ha pasado décadas tratando de entender por qué una mosca evolucionaría de esta manera, y finalmente se ha centrado en el tracto reproductivo femenino como fuente de su respuesta.

Si bien Pitnick se centra en las moscas, los espermatozoides también han captado la atención de los científicos modernos que intentan ayudar a las parejas humanas que intentan concebir. Los hallazgos de Pitnick podrían ayudar inadvertidamente con esta tarea. "En muchos casos, es una diferencia de compatibilidad entre un hombre y una mujer específicos, y no conocen el mecanismo subyacente", dice. "Comprender las interacciones esperma-hembra ciertamente puede arrojar luz sobre la comprensión de nuevas explicaciones para la infertilidad, y posiblemente nuevas soluciones para ello".

La investigación básica de esperma también ayudará a acelerar el progreso en el desarrollo de anticonceptivos masculinos, dice Daniel Johnston, jefe de la Rama de Investigación de Anticoncepción en los Institutos Nacionales de Salud. Hasta ahora, los investigadores han intentado todo, desde geles hasta píldoras, pero un método anticonceptivo masculino efectivo y confiable sigue siendo difícil de alcanzar. Johnston dice que los científicos aún enfrentan la pregunta más básica: ¿qué es el esperma, de todos modos?

Sperm_Image_3-WR.jpg Las células de esperma varían increíblemente en todo el reino animal. Esta única célula de esperma de la mosca de la fruta puede alcanzar varios centímetros de largo cuando se despliega. (Romano Dalla)

"Necesitamos entender realmente qué constituye un esperma", dice Johnston, quien ha trabajado para describir el contenido completo de proteínas del esperma, un primer paso importante para comprender cómo diseñar anticonceptivos efectivos. "Cuando entiendes eso, potencialmente puedes comenzar a entender lo que necesitamos inhibir".

Recientemente, un grupo privado llamado la Iniciativa Anticonceptiva Masculina lanzó una competencia que financiará un proyecto innovador de investigación anticonceptiva. * Gunda Georg, química farmacéutica de la Universidad de Minnesota, ha superado la primera ronda del concurso para su investigación sobre infertilidad. asociados a genes en ratones que finalmente podrían usarse para desarrollar una píldora anticonceptiva masculina.

Su investigación actual ayuda a determinar los niveles de dosificación apropiados para tales productos farmacéuticos y evaluar los posibles efectos secundarios. Después de todo, "si un hombre deja de tomar la píldora, tiene que volver a la normalidad", dice Georg.

Johnston se complace en tener la oportunidad de apoyar este tipo de investigación en el NIH, tanto por interés en hacer avanzar los anticonceptivos masculinos como por una intriga fundamental en el esperma que no ha disminuido en sus 25 años de carrera. "Los espermatozoides son fascinantes", dice Johnston. "No hay nada como ellos".

Pitnick, naturalmente, está de acuerdo. La timidez que los científicos como van Leeuwenhoek demostraron en los primeros días, dice, ha disminuido en el campo. "No creo que haya demasiados biólogos hoy en día que tengan algún tipo de incomodidad hablando de estas cosas", dice Pitnick. ¿Y para él, personalmente? "Me encanta esta biología", dice. "Hablaré con cualquiera que esté dispuesto a escuchar".

Nota del editor, 7 de junio de 2017: Esta pieza originalmente declaró que la Iniciativa anticonceptiva masculina se encontraba bajo los NIH; Es un esfuerzo privado.

El largo y sinuoso cuento de la ciencia del esperma