Un modelo evolutivo predice la distribución de las moléculas en las células
Investigadores del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización (MPI-DS) de Gotinga (Alemania) y de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) han desarrollado un nuevo método teórico para estudiar mezclas formadas por muchas moléculas diferentes. Analizaron cómo las moléculas interactúan para formar de forma fiable diferentes gotas, como ocurre 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 resultados se han publicado recientemente en la revista científica PNAS.
MPIDS, Zwicker
El físico teórico David Zwicker y el biofísico Liedewij Laan están interesados en averiguar los misterios de la vida, concretamente el funcionamiento fundamental de las células vivas. "Siempre me sorprende que los procesos celulares funcionen, porque una célula está formada por miles de moléculas diferentes que tienen que trabajar juntas sin interferir unas con otras", dice Zwicker. Los científicos desarrollaron un modelo informático que permite investigar fluidos complejos, como el líquido del interior de una célula. "A pesar de su compleja naturaleza química y física, las moléculas del interior de las células suelen organizarse en forma de gotas", añade Laan. "Con nuestro enfoque, somos capaces de reproducir la formación de estas gotitas, con lo que abrimos nuevas líneas de investigación sobre el funcionamiento de este mecanismo", prosigue.
Una vinagreta compleja
Las células biológicas son máquinas increíblemente complejas que dependen de miles de moléculas diferentes para funcionar e interactuar de forma fiable. Para orquestar las moléculas, éstas se separan en diferentes compartimentos dentro de las células. Dado que el entorno y el estado interno de las células cambian constantemente, tienen que formarse y mantenerse de forma sólida. Los compartimentos más conocidos, como el núcleo y las mitocondrias, están encerrados por membranas que sirven de barreras que definen su forma y controlan su composición. Sin embargo, muchos compartimentos más pequeños no poseen una membrana y, por tanto, suelen comportarse de forma más dinámica. Este tipo de compartimentos se han encontrado en células animales, vegetales y bacterianas por igual. Pueden formarse espontáneamente y las interacciones entre las moléculas implicadas controlan su composición.
Para entender cómo se organiza una plétora de moléculas diferentes en estos compartimentos sin membrana, Zwicker y Laan estudiaron teóricamente el proceso físico de formación de gotas. Hasta ahora, la teoría subyacente sólo 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 la composición de las gotas.
Los secretos de la vida
El nuevo método numérico abre la posibilidad de responder a preguntas clave, entre ellas la de cuántas gotas diferentes se forman de forma sólida. "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 adecuadas", explica Zwicker. Para imitar esto en el ordenador, los investigadores ajustaron las interacciones mediante múltiples generaciones de mutación y selección hasta que se formara un determinado número de gotas. Curiosamente, muchos conjuntos diferentes de interacciones terminan casi perfectamente en el número preestablecido de gotas diferentes. Laan comenta: "Nos entusiasmó descubrir que realmente podemos reproducir estas mezclas. Sin embargo, desde el punto de vista científico, quizá sea más emocionante el hecho de que no entendamos cómo funciona exactamente. Pero ahora estamos mucho más cerca de intentar averiguar estos secretos de la vida".
Zwicker subraya que su investigación forma parte de un cambio de paradigma mayor en la biología: "Hasta ahora, los investigadores tendían a investigar interacciones más bien fuertes, por ejemplo entre dos proteínas, ya que éstas son bastante robustas y, por 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 un comportamiento complejo, como la formación de gotas, puede surgir con solidez incluso de esas interacciones débiles.
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