¿Con qué rapidez reacciona una célula sometida a estrés?

Pascal Versen, investigador del Centro Nacional de la Investigación Científica de Francia (CNRS) y el equipo dirigido por Sharad Ramanathan, del Centro de Biología de Sistemas (Universidad de Harvard, EE UU) han utilizado un dispositivo de medición capaz de confirmar la hipótesis de que por encima de una determinada frecuencia de estimulación, la célula de levadura no responde más al estrés osmótico.

Los investigadores han sido capaces de medir la velocidad de reacción a dicho estrés, y sobre todo, de modificar la velocidad de reacción eliminando determinados genes. Este trabajo abre la puerta a nuevas perspectivas en la ingeniería biológica. La idea es construir células con funciones biológicas novedosas y cuya dinámica se pueda controlar. Los resultados del estudio han sido publicado online en la revista PNAS.

Al añadir un poco de sal sobre una célula, ésta se encoge inmediatamente. Este fenómeno está causado por la diferencia en salinidad entre el interior y el exterior de la célula. Para restaurar el equilibrio entre las concentraciones, la célula libera algo de agua, lo cual reduce su tamaño. Para volver a su tamaño normal, la célula sufre una serie de reacciones que son esenciales para desempeñar eficazmente sus procesos de regulación y adaptación.

En la levadura Saccharomyces cerevisiae, un sistema de modelo eucariótico, esta cascada está bien descrita. Sin embargo, su dinámica todavía no está bien conocida. Una célula necesita reaccionar a la velocidad adecuada para asegurarse su supervivencia. Por consiguiente, es esencial conocer la dinámica de la respuesta de la célula al estrés ambiental.

Con esta finalidad, Hersen y sus colegas estadounidenses decidieron estudiar cómo y a qué velocidad la levadura responde y se adapta al estrés ambiental. Utilizando un dispositivo que les permitía seguir el comportamiento de las células individuales, crearon un ambiente que periódicamente se desequilibraba. De esta manera pudieron determinar las propiedades dinámicas de la respuesta celular.

Su primera observación fue que, cuando la frecuencia es demasiado elevada, el tamaño de las células no cambia. Simplemente no hay tiempo suficiente para que tenga lugar la transferencia de agua a través de la membrana celular. Por otro lado, con frecuencias más bajas (aparición de desequilibrio cada 10 segundos), las células se encogen y se hinchan periódicamente, siguiendo exactamente las fluctuaciones del desequilibrio.

Sin embargo, en este intervalo de frecuencias, no existe tiempo suficiente para que se active la cascada de reacciones entre dos ciclos. Por lo tanto, existe un desacoplamiento entre el mecanismo de respuesta y la respuesta biológica. Sólo cuando el período es más de aproximadamente diez minutos se activan las reacciones biológicas y se suceden 'naturalmente' unas a otras. Esta frecuencia es, por tanto, característica de la dinámica de respuesta en levaduras, la cual es incapaz de seguir exactamente los cambios demasiado rápidos que se producen en su entorno.

Por último, los investigadores han demostrado que al eliminar determinados genes de la levadura, esta cascada puede ralentizarse considerablemente. Ahora esperan llegar a comprender cómo la cantidad y naturaleza de las proteínas afecta a la dinámica de estas reacciones y cómo podrían eventualmente ser capaces de acelerarla o ralentizarla. Al poder manipular las reacciones de este modo, se abren nuevas expectativas en la biología sintética para el diseño de células con nuevas funciones, cuya dinámica de respuesta al estrés se pueda controlar.

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Referencia bibliográfica:
Pascal Hersen, Megan McClean, L. Mahadevan, Sharad Ramanathan. “Signal Processing by the HOG MAP Kinase pathway”. PNAS