Un mecanismo previamente desconocido de autoorganización del material necesario para la división celular bacteriana sigue el lema ‘die to align’: desalineado para formar una estructura de anillo en el centro de una célula en división hecha de ‘tinte’ de filamento. El estudio fue publicado por el grupo Šarić del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA). Física de la naturaleza. Este trabajo puede encontrar aplicaciones en el desarrollo de materiales sintéticos autorreparables.
¿Cómo se organiza la materia, inanimada por definición, y nos da vida? Una de las características distintivas de la vida es la autoorganización, la formación y descomposición espontánea de materia biológicamente activa. Sin embargo, dado que las moléculas entran y salen constantemente de la vida, uno podría preguntarse cómo “saben” dónde, cuándo y cómo unirse, y cuándo detenerse y desaparecer.
Los investigadores que trabajan con la profesora Anđela Šarić y el estudiante de doctorado Christian Vanhel Campos en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) abordan estas cuestiones en el contexto de la división celular bacteriana. Desarrollaron un modelo computacional para el ensamblaje de una proteína llamada FtsZ, un ejemplo de sustancia activa. Durante la división celular, FtsZ se ensambla formando una estructura de anillo en el centro de la célula bacteriana en división. Se demostró que este anillo FtsZ, llamado anillo de división bacteriana, ayuda a formar una nueva “pared” que separa las células hijas. Sin embargo, hasta la fecha no se han dilucidado los aspectos fisiológicos esenciales del autoensamblaje de FtsZ. Ahora, los modeladores computacionales del grupo de Šarić, junto con los experimentalistas del grupo de Seamus Holden en la Universidad de Warwick, Reino Unido, y el grupo de Martin Lowes en ISTA, revelan un mecanismo de autoensamblaje inesperado. Su trabajo computacional muestra cómo reaccionan los filamentos FtsZ mal plegados cuando chocan contra un obstáculo. Al ‘morir’ y volver a ensamblarse, favorecen la formación del anillo de división bacteriana, una estructura filamentosa bien conectada. Estos hallazgos pueden tener aplicaciones en el desarrollo de materiales artificiales autorreparables.
Cinta de correr, el poder adaptativo del recambio molecular
Las proteínas FtsZ forman filamentos que se autoensamblan creciendo y encogiéndose en un recambio continuo. Este proceso, llamado “fresado de banda de rodadura”, consiste en la constante adición y eliminación de subunidades en los extremos opuestos del filamento. Se ha demostrado que varias proteínas actúan en diversas formas de vida, como bacterias, animales o plantas. Anteriormente, los científicos pensaban que la cinta de correr era una forma de movimiento propio y la modelaban como filamentos que avanzaban. Sin embargo, tales modelos no logran capturar la rotación constante de las subunidades y sobreestiman las fuerzas generadas por el ensamblaje de los filamentos. Así, Anđela Šarić y su equipo se propusieron modelar cómo interactúan las subunidades FtsZ y forman filamentos espontáneos mediante la cinta rodante. “En nuestras células todo está en constante renovación. Por eso debemos empezar a pensar en sustancias biológicamente activas desde el prisma de la renovación molecular y de una manera que se adapte al entorno externo”, dice Šarić.
Hilo mortal: Morir por alinearse
Lo que encontraron fue sorprendente. A diferencia de los ensamblajes autopropulsados que empujan las moléculas y crean un “golpe” que se siente a lo largo de largas distancias moleculares, observaron que los filamentos de FtsZ mal plegados “mueren” cuando chocan contra un obstáculo. “La materia activa formada por filamentos filamentosos no se toma a la ligera la desalineación. Cuando un filamento crece y choca contra obstáculos, se desintegra y muere”, afirma el primer autor Venhel Campos. Šarić añade: “Nuestro modelo muestra que los conjuntos de fresado comercial conducen a la curación local de los materiales activos. Cuando las fibras desalineadas mueren, contribuyen a un mejor conjunto general”. Al incorporar la geometría celular y la curvatura de los filamentos en su modelo, demostraron cómo la muerte mal plegada de los filamentos FtsZ ayudó a formar el anillo de división bacteriana.
Investigación basada en teoría, respaldada por expertos empíricos.
Impulsados por teorías físicas de interacciones moleculares, Šarić y su equipo pronto realizaron dos experimentos independientes con grupos experimentales que ayudaron a confirmar sus resultados. En una conferencia diversa y multidisciplinaria llamada “La física se encuentra con la biología”, conoció a Seamus Holden, quien trabajó en la formación de imágenes de color bacteriano en células vivas. En esta reunión, Holden presentó interesantes datos experimentales que muestran que la muerte y el nacimiento de los filamentos de FtsZ es esencial para la formación del anillo de división. Sugirió que la cinta de correr tenía un papel importante en este proceso. “Lo tranquilizador es que descubrimos que los anillos FtsZ se comportan en nuestras simulaciones de la misma manera que los anillos de división de Bacillus subtilis imaginados por el equipo de Holden”, dice Vanhill Campos.
En un golpe de suerte similar, un traslado del University College de Londres a ISTA permitió a Šarić y su grupo formar equipo con Martin Lowes y trabajar en el ensamblaje de filamentos FtsZ en una configuración experimental controlada in vitro. Descubrieron que los resultados in vitro coincidían estrechamente con los resultados de la simulación y corroboraron aún más los resultados computacionales del equipo. Destacando el espíritu de cooperación y sinergia entre los tres grupos, Šarić dice: “Todos estamos saliendo de nuestras áreas de investigación habituales e yendo más allá de lo que normalmente hacemos. Estamos abiertos a discutir y compartir datos, ideas y conocimientos comunes, lo que nos permite para responder preguntas que no podemos abordar por separado.”
Hacia materiales sintéticos autorreparantes
La autoorganización energética de la materia es un proceso fundamental en física. El equipo de Šarić sugiere ahora que los filamentos FtsZ son un tipo diferente de sustancia activa que invierte energía en el recambio en lugar de en la motilidad. “En mi grupo nos preguntamos cómo crear materia viva a partir de materia aparentemente no viva. Por lo tanto, nuestro trabajo actual puede facilitar la creación de materiales artificiales autocurativos o células artificiales”, dice Šarić. Como siguiente paso, Šarić y su equipo intentan modelar cómo el anillo de división bacteriana ayuda a construir una pared que dividirá la célula en dos mitades. Holden y Šarić seguirán investigando esta cuestión con la ayuda de una reciente subvención de 3,7 millones de euros del Wellcome Trust.
