¿Qué sucede cuando las células adoptan el peligro? Understand article

Traducido por Eliana G. Acosta. Los científicos proponen una nueva hipótesis para abordar uno de los grandes misterios remanentes de la evolución animal.

Kintsugi es un antiguo arte Japonés que consiste en reparar cerámicos rotos usando oro u otros materiales preciosos. La filosofía subyacente es que la rotura y la reparación son partes integrales de la vida de un objeto, los que de hecho pueden convertirse en piezas más valiosas. De acuerdo con una hipótesis desarrollada por los científicos Detlev Arendt y Thibaut Brunet en el laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL,por sus siglas en inglés)w1 en Heidelberg, Alemania, las células eucariotas ancestrales pudieron haber sido sometidas a un proceso de daño y reparación similar que, en el curso de la evolución, dio origen a células cerebrales y musculares altamente especializadas (Brunet & Arendt, 2016).

Un veneno celular

Cuando una neurona o una célula muscular de nuestro cuerpo detectan una señal responden permitiendo que ciertos iones, como el sodio y el calcio, entren a través de la membrana celular. Este flujo entrante de moléculas gatilla respuestas precisas que causan que las células musculares se contraigan y que las neuronas liberen sustancias químicas responsables de la comunicación célula a célula. Cómo fue que nuestro sistema nervioso evolucionó para usar estos detonantes químicos es aún un misterio, pero Detlev y Thibaut se están acercando a una respuesta.

Artistic impression of a network of neurons. The branched extensions, known as dendrites, transmit impulses to the cell body.
Impresión artística de una red neuronal. Las extensiones ramificadas, conocidas como dendritas, transmiten impulsos al cuerpo de la célula.
Imagen cortesía de Scott Ingram; fuente de la imagen: Flickr

En concentraciones altas, el calcio es dañino para todas las células vivientes, dado que forma agregados insolubles con moléculas que son esenciales para la supervivencia celular. Es por esto que el calcio puede ser 10 000 veces menos abundante dentro de las células de lo que lo es la sangre. Se cree que la composición química de las células modernas es una “huella digital” de la composición ambiental en la que la vida se originó más de 3.5 billones de años atrás. Como eran permeables a moléculas pequeñas, las primeras células tenían la misma composición química del ambiente acuático en el que vivían, donde la concentración de calcio era baja. Pero cuando las células ancestrales se expusieron por primera vez a ambientes ricos en calcio, posiblemente 1.5 billones de años atrás, tuvieron que desarrollar una respuesta para protegerse de las moléculas toxicas. Dado que una de las principales rutas de entrada de calcio es la rotura de la membrana celular, los científicos creen que contrarrestar el daño en la membrana debió ser una repuesta celular muy importante.

“Si miras a las células eucariotas, desde las algas hasta las neuronas, la mayoría de las moléculas que establecen un contacto celular son sensibles a calcio, por lo tanto especulamos que la constricción celular evolucionó en primer lugar en respuesta a un ingreso de veneno externo para cerrar la membrana luego de una rotura” dice Thibaut. “Esto fue un poco una tentativa a ciegas, pero cuando miramos en la bibliografía para probar esta hipótesis ¡nos emocionamos al ver que realmente funciona de esta manera!”

El camino hacia neuronas y músculos

Tras la rotura de una membrana celular, dos proteínas sensibles al calcio, llamadas actina y miosina, organizan un anillo alrededor de la lesión. La malla creada por actina y miosina se encoje, causando la constricción de la membrana celular y el gradual sellado de la herida. El calcio también dispara la liberación de estructuras similares a burbujas llamadas vesículas. Estas vesículas son ricas en moléculas grasas, las que proveen a la membrana celular rota con nuevos bloques para la construcción. Los científicos creen que este mecanismo de lesión-curación  pudo haber sido la primera “respuesta de emergencia” de las células ancestrales a la entrada de calcio.

A 3-day-old larva of Platynereis: muscles are shown in red and the nervous system in green.
Una larva de Platynereis de 5
días: los músculos se
muestran en rojo y el sistema
nervioso en verde.

Imagen cortesía de Thibaut
Brunet / EMBL

Como suele ser el caso en la evolución, este mecanismo – que evolucionó originalmente para la reparación de membranas – resultó ser útil en otros contextos. La contracción de la membrana, lo que deforma a la célula, se convirtió en el modo en que las células se mueven. La liberación de moléculas a través de la secreción de vesículas se convirtió en un poderoso modo de comunicarse con otras células.   

A medida que aumentaron en complejidad, las células ancestrales imitaron la rotura de membrana para construir sistemas que controlan la constricción y secreción, facilitando una entrada de calcio controlada. Este sistema se desarrolló aún más, y el influjo de iones pudo ser amplificado activamente en un potencial de acción – una señal eléctrica corta que puede propagarse rápidamente a través de la membrana celular, disparando la activación de la contracción y la secreción. Las células ancestrales estaban ahora realizando múltiples tareas: eran capaces de generar un potencial de acción que causaba que una porción de la misma célula se contrajese. Los potenciales de acción también estimulaban la liberación de vesículas llenas de compuestos químicos necesarios para la comunicación célula a célula, lo que resultó en la propagación de la actividad contráctil a las células vecinas.

Algunos de estos progenitores celulares dieron lugar más tarde mediante la división de labores a dos tipos celulares distintos: se dividieron literalmente en dos ramas, células contráctiles y células mecanosensoras. En una rama, las células contráctiles, cuya actividad primaria era contraerse, evolucionaron hasta convertirse en células musculares. En la otra rama, las células mecanosensoras, las cuales se especializaban en generar potenciales de acción y liberar vesículas de comunicación célula a célula, evolucionaron hasta convertirse en las neuronas que vemos hoy. Pero las vías ancestrales se mantuvieron: aun hoy, nuestras neuronas y músculos todavía dependen en la entrada controlada de un fuerte veneno células – el calcio – para decidir cuándo secretar y cuándo contraerse.

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EMBL

Author(s)

Nacida en Apulia, una región soleada al sur de Italia, Giorgia Guglielmi obtuvo sus títulos de licenciatura y maestría en ciencias biológicas en la Universidad de Roma “Tor Vergata”. Luego se incorporó a la Unidad de Biología del Desarrollo del laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL) en Heidelberg, Alemania, para descubrir cómo se forman los embriones. Los esfuerzos de Giorgia para controlar la contracción en células individuales de Drosophila usando láseres le merecieron el sobrenombre de “mata moscas” y un doctorado en biología summa cum laude. Entusiasta comunicadora de las ciencias, Giorgia está inscrita en el Programa de Redacción Científica para Graduados del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Cuando no está en el MIT (guglielm@mit.edu), se la puede encontrar en Twitter @GiorgiaWithAnI o montando bicicleta en algún lugar de Massachusetts.


Review

¿Puedes pensar acerca de una dificultad que conseguiste sobrellevar y que al final te hizo más fuerte? De acuerdo a este artículo, las células eucariotas ancestrales deben haber sufrido procesos de daño y reparación que condujeron a la especialización celular – gracias a la evolución.

Las ideas mencionadas en el artículo podrían ser utilizadas en lecciones de biología de la escuela secundaria, especialmente al estudiar bioquímica o evolución. El texto también destaca el hecho que las reacciones químicas y los procesos físicos tienen roles esenciales en los procesos celulares.

Antes de leer el artículo, los estudiantes podrían pensar sobre qué disparó la evolución de células eucariotas simples a células mas complejas.

Además de usarse como un ejercicio de comprensión, este artículo puede ayudar a incrementar la percepción de la importancia que tiene la evolución en el desarrollo de la vida en nuestro planeta. Preguntas potenciales para la discusión incluyen:

  • ¿Cómo reaccionan las neuronas o las células musculares del cuerpo humano cuando detectan una señal?
  • ¿Por qué son las altas concentraciones de calcio dañinas para todas las células vivientes?
  • ¿Cuál es la función de las proteínas actina y  miosina después de la rotura de la membrana celular?
  • ¿Cómo se comunican las células unas con otras?
  • ¿Qué es un potencial de acción?

Mireia Güell Serra, Spain



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