Imagínese la vida de una célula de levadura, flotando por la cocina en una espora que finalmente aterriza en un cuenco de uvas. La vida es buena: comida para días, al menos hasta que alguien nota la fruta podrida y la tira. Pero entonces el sol brilla a través de la ventana, la sección del mostrador donde se encuentra el cuenco se calienta y la vida de repente se vuelve incómoda para la humilde levadura. Cuando la temperatura sube demasiado, las células interrumpen sus procesos normales para escapar de las condiciones estresantes y comerse las uvas en otro día fresco.
Esta «respuesta al choque térmico» de las células es un modelo clásico de adaptación biológica, parte de los procesos fundamentales de la vida (conservados en organismos desde levaduras unicelulares hasta humanos) que permiten a nuestras células adaptarse a las condiciones cambiantes de su entorno.
Durante años, los científicos se han centrado en cómo responden los diferentes genes al estrés por calor para comprender esta estrategia de supervivencia. Ahora, gracias al uso innovador de técnicas avanzadas de imágenes, investigadores de la Universidad de Chicago están obteniendo una visión sin precedentes de la maquinaria interna de las células para ver cómo responden al estrés por calor.
«La adaptación es un superpoder oculto de las células», dijo Asif Ali, Ph.D., investigador postdoctoral en UChicago que se especializa en capturar imágenes de procesos celulares. «No tienen que usar este superpoder todo el tiempo, pero una vez que están atrapados en una situación difícil, de repente, no hay salida. Entonces, lo usan como estrategia de supervivencia».
Ali trabaja en el laboratorio de David Pincus, Ph.D., profesor asistente de genética molecular y biología celular en UChicago, donde su equipo estudia cómo los humanos se adaptan a ambientes complejos y estresantes, incluida la respuesta al choque térmico.
En un nuevo estudio, publicado el 16 de octubre de 2023 Biología celular de la naturalezaCombinaron varias técnicas de imagen nuevas para demostrar que, en respuesta al choque térmico, las células emplean un mecanismo protector para sus proteínas ribosómicas huérfanas (proteínas críticas para el crecimiento que son más vulnerables a la agregación cuando se detiene el procesamiento celular normal) al preservarlas en líquido. Como condensados.
Una vez que cede el choque térmico, estos condensados se dispersan con la ayuda de proteínas chaperonas moleculares, lo que facilita la incorporación de proteínas huérfanas en ribosomas maduros funcionales, que nuevamente comienzan a expulsar proteínas. Esta rápida reanudación de la producción de ribosomas permite a la célula continuar donde lo dejó sin desperdiciar energía.
El estudio demuestra que las células que no pueden mantener el estado líquido de estos condensados no se recuperan rápidamente, quedando rezagadas 10 generaciones a la hora de intentar regenerar las proteínas perdidas.
«Asif desarrolló una técnica de biología celular completamente nueva que permite por primera vez visualizar proteínas ribosómicas huérfanas en las células en tiempo real», dijo Pincus. «Como muchos descubrimientos, fue necesario un avance tecnológico para permitirnos ver una biología completamente nueva que antes era invisible para nosotros pero que siempre estaba ocurriendo en células que hemos estado estudiando durante años».
Una biomolécula débilmente acoplada
Los ribosomas son máquinas críticas dentro del citoplasma de todas las células que leen instrucciones genéticas en el ARN mensajero y construyen cadenas de aminoácidos que se pliegan en proteínas. La producción de ribosomas para llevar a cabo este proceso requiere mucha energía, por lo que, en condiciones estresantes, como un choque térmico, es una de las primeras cosas que la célula apaga para conservar energía.
En un momento dado, alrededor del 50% de las proteínas recién sintetizadas dentro de la célula son proteínas ribosómicas que aún no se han traducido por completo. En una célula se producen un millón de proteínas ribosómicas por minuto, por lo que si la producción de ribosomas se detiene, millones de estas proteínas flotan desatendidas, propensas a pegarse o plegarse mal, lo que puede causar problemas en el futuro.
En lugar de centrarse en cómo se comportan los genes durante el choque térmico, Ali y Pincus querían mirar dentro de la maquinaria de las células para ver qué sucede con estas proteínas ribosómicas «huérfanas». Para ello, Ali recurrió a una nueva herramienta de microscopía llamada Lattice Light Sheet 4D Imaging, que utiliza múltiples hojas de luz láser para crear imágenes en dimensiones completas de los componentes dentro de las células vivas.
Como quería centrarse en lo que les estaba sucediendo únicamente a las proteínas huérfanas durante el choque térmico, Ali también utilizó una técnica clásica llamada «marcado de pulsos» con un toque moderno: un tinte especial llamado «halotag» para señalar las proteínas huérfanas recién sintetizadas.
A menudo, cuando los científicos quieren detectar la actividad de una proteína dentro de una célula, utilizan una etiqueta de proteína fluorescente verde (GFP) que brilla de color verde brillante bajo un microscopio. Pero debido a que hay muchas proteínas ribosómicas maduras en la célula, el uso de GFP ilumina toda la célula. En cambio, el marcaje por pulsos con un tinte halotag permite a los investigadores iluminar los ribosomas recién formados y oscurecer los maduros.
Utilizando estas herramientas de imágenes integradas, los investigadores vieron que las proteínas huérfanas se recolectaban cerca del nucléolo como gotas de una sustancia similar a un líquido (Pincus usó el término científico «sustancia biomolecular poco unida»). Estas manchas van acompañadas de chaperonas moleculares, que normalmente ayudan al proceso de producción ribosómica ayudando a plegar nuevas proteínas. En este caso, los acompañantes parecen «revolver» las proteínas recolectadas, manteniéndolas en estado fluido y evitando que se peguen.
Este hallazgo es intrigante, ya que muchas enfermedades humanas, como el cáncer y los trastornos neurodegenerativos, están asociadas con grupos de proteínas mal plegadas o agregadas. Una vez que las proteínas se enredan, permanecen así, por lo que este mecanismo de «agitación» es otra adaptación.
«Una definición común muy plausible de salud y enfermedad celular es que si las cosas son fluidas y se mueven, estás sano; una vez que las cosas comienzan a obstruirse y formar estos agregados, eso es patología», dijo Pincus. «Realmente creemos que estamos descubriendo mecanismos fundamentales que son clínicamente relevantes, o al menos en el corazón mecanicista de muchas enfermedades humanas».
Encontrar estructura a escala atómica.
En el futuro, Ali espera emplear otra técnica de imágenes llamada tomografía crioelectrónica, una aplicación que utiliza microscopía electrónica para congelar muestras de células y capturar imágenes de sus componentes internos con una resolución de nivel atómico. Otra ventaja de esta técnica es que permite a los investigadores capturar imágenes en 3D dentro de una célula, en lugar de separar y preparar proteínas para obtener imágenes.
Utilizando esta nueva herramienta, los investigadores quieren ver si los condensados de proteínas están organizados de una manera que les ayude a dispersarse más fácilmente y reanudar la actividad después de que disminuya el choque térmico.
«Tengo que creer que simplemente están confundidos y no mezclados», dijo Pincus. «Esperamos ver lo que parece una sopa caótica y revuelta, algo de estructura y orden que les ayude a volver a crecer rápidamente».
Más información:
Conservación adaptativa de proteínas ribosómicas huérfanas en condensados dispersos con chaperonas, Biología celular de la naturaleza (2023) DOI: 10.1038/s41556-023-01253-2
Proporcionado por la Universidad de Chicago
referencia: Mirando dentro de las células para ver cómo responden al estrés (16 de octubre de 2023) Consultado el 22 de noviembre de 2023 en https://phys.org/news/2023-10-peering-cells-stress.html
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