El modelo evolutivo predice la partición de moléculas dentro de las células

3. Agosto 2022

Investigadores del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización (MPI-DS) en Göttingen y la Universidad Tecnológica de Delft, Países Bajos, han desarrollado un nuevo método teórico para estudiar mezclas que consisten en muchas moléculas diferentes. Analizaron cómo las moléculas interactúan para formar de manera confiable diferentes gotas, como sucede continuamente en las células vivas. Con este modelo, se puede predecir por primera vez la formación de gotas particulares basadas en muchas moléculas que interactúan. Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista científica PNAS.

El físico teórico David Zwicker y el biofísico Liedewij Laan estudian el funcionamiento fundamental de las células vivas. "Siempre me sorprende que los procesos celulares funcionen en absoluto, porque una célula consiste en miles de moléculas diferentes que necesitan trabajar juntas sin interferir entre sí", dice Zwicker. Los científicos desarrollaron un modelo informático que permite investigar fluidos complejos, como el líquido dentro de una célula. "A pesar de su compleja naturaleza química y física, las moléculas dentro de las células a menudo se organizan como gotas", agrega Laan. "Con nuestro enfoque, somos capaces de reproducir la formación de estas gotas, y así abrir nuevas líneas de investigación sobre cómo funciona este mecanismo", continúa.



Ilustración esquemática de moléculas densamente empaquetadas en una célula. Las interacciones entre muchas moléculas diferentes dan como resultado dos tipos de gotas (amarillas y rojas), incrustadas en el fluido de fondo (blanco). Imagen creada con cellPAINT.


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Ilustración esquemática de moléculas densamente empaquetadas en una célula. Las interacciones entre muchas moléculas diferentes dan como resultado dos tipos de gotas (amarillas y rojas), incrustadas en el fluido de fondo (blanco). Imagen creada con cellPAINT.


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Las células biológicas son máquinas increíblemente complejas que dependen de miles de moléculas diferentes para trabajar e interactuar de manera confiable. Para orquestar las moléculas, se separan en diferentes compartimentos dentro de las células. Dado que el entorno y el estado interno de las células cambian constantemente, deben formarse y mantenerse de manera robusta. La mayoría de los compartimentos conocidos, incluidos el núcleo y las mitocondrias, están rodeados por membranas que sirven como barreras que definen su forma y controlan su composición. Sin embargo, muchos compartimentos más pequeños no poseen una membrana y, por lo tanto, a menudo se comportan de manera más dinámica. Tales compartimentos se han encontrado en células animales, vegetales y bacterianas por igual. Pueden formarse espontáneamente y las interacciones entre las moléculas involucradas controlan su composición.

Para comprender cómo se organiza una gran cantidad de moléculas diferentes en tales compartimentos sin membrana, Zwicker y Laan estudiaron teóricamente el proceso físico de formación de gotas. Hasta ahora, la teoría subyacente solo se entendía bien para el caso simple de dos tipos de partículas, como el aceite que se separa del agua en la vinagreta. Para examinar un entorno celular más realista con un mayor número de interacciones moleculares, los investigadores introdujeron un método numérico, que predice las composiciones de gotas.

El nuevo enfoque numérico abre la posibilidad de responder preguntas clave, incluida la cantidad de gotas diferentes que se forman de manera robusta. "La idea clave es que durante miles de millones de años de evolución las interacciones entre las moléculas celulares se han optimizado para formar las gotas correctas", explica Zwicker. Para imitar esto en la computadora, los investigadores ajustaron las interacciones utilizando múltiples generaciones de mutación y selección hasta que se formó un cierto número de gotas. Curiosamente, muchos conjuntos diferentes de interacciones terminan casi perfectamente en el número preestablecido de gotas diferentes. Laan comenta: "Estábamos emocionados de descubrir que realmente podemos reproducir estas mezclas. Sin embargo, científicamente aún más emocionante es quizás el hecho de que no entendemos cómo funciona esto exactamente. Pero ahora estamos mucho más cerca de tratar de descubrir estos secretos de la vida".

Zwicker enfatiza que su investigación es parte de un cambio de paradigma más grande en biología: "Hasta ahora, los investigadores tendían a investigar interacciones bastante fuertes, por ejemplo, entre dos proteínas, ya que son bastante robustas y, por lo tanto, más fáciles de estudiar. Hoy en día, las gotas que se forman debido a interacciones mucho más débiles se estudian cada vez más, tanto teórica como experimentalmente, porque parecen cumplir un papel importante dentro de las células. Sin embargo, son mucho más difíciles de analizar, ya que estas interacciones débiles pueden verse perturbadas por la temperatura, la acidez, la concentración de sal y muchos otros factores". El presente trabajo sugiere que el comportamiento complejo, como la formación de gotas, puede surgir robustamente incluso de interacciones tan débiles.