Cómo transportan las moléculas las cianobacterias multicelulares
Investigadores de ETH Zurich y de la Universidad de Tubinga han realizado un estudio de alta resolución sobre la estructura y función de las conexiones célula a célula en las cianobacterias filamentosas y multicelulares. Esto les permite explicar cómo estos microorganismos regulan el transporte de varias sustancias entre las células individuales.
Las conexiones entre las células de una formación celular de Anabaene están provistas de numerosos canales especiales (verde claro).
ETH Zürich
También conocidas como algas verde-azuladas, las cianobacterias son una clase especial de bacterias que son capaces de realizar la fotosíntesis. En términos evolutivos, son antiguos. Sus predecesores -que surgieron en la Tierra hace unos 2.500 millones de años- allanaron el camino para formas de vida más elevadas gracias a su capacidad de producir oxígeno mediante la fotosíntesis.
Algunas especies de cianobacterias son organismos filamentosos y multicelulares que han desarrollado funciones celulares diferenciadas. Algunas células realizan la fotosíntesis, mientras que otras absorben el nitrógeno atmosférico. Las cianobacterias obtienen energía en forma de glucosa a través de la fotosíntesis; utilizan el nitrógeno para producir aminoácidos, los bloques de construcción de las proteínas.
Para las cianobacterias, esto plantea el problema de cómo las células individuales pueden comunicarse e intercambiar sustancias. Las células fotosintéticas tienen que mantener sus células hermanas fijadoras de nitrógeno abastecidas con glucosa; por la misma razón, los aminoácidos necesitan ser transportados en la dirección opuesta. Con este fin, las cianobacterias han desarrollado uniones celulares especiales que permiten el intercambio de nutrientes y mensajeros a través de las fronteras celulares, sin que las células se fusionen entre sí.
Aclaración de la estructura en el contexto celular
Hasta la fecha, se conocía muy poco sobre la estructura detallada y el funcionamiento preciso de las uniones celulares en cianobacterias filamentosas multicelulares. En el último número de la revista científica Cell, un grupo de investigadores de la ETH Zurich y de la Universidad de Tubinga presenta un grado de detalle sin precedentes sobre la estructura y función de las conexiones célula a célula, denominadas uniones septales, en el género Anabaena.
Los investigadores revelan que los canales de conexión están compuestos por un tubo de proteína que está sellado con un tapón en ambos extremos. Además, este tubo está cubierto de elementos proteínicos de cinco brazos, que están dispuestos de forma muy parecida a la apertura de una cámara.
Los canales conectan los citoplasmas de dos células vecinas pasando a través de las diferentes membranas y paredes celulares. Las células están separadas por un espacio ultrafino, de unos pocos nanómetros de ancho.
"Hasta ahora, los investigadores no han logrado aclarar estos detalles con la microscopía electrónica convencional. Gracias a la ampliación de la microscopía crioelectrónica, pudimos obtener un grado de precisión nunca antes alcanzado", dice el profesor Martin Pilhofer del Instituto de Biología Molecular y Biofísica de la ETH Zurich.
Gregor Weiss, estudiante de doctorado de Pilhofer, desarrolló un proceso de preparación de las cianobacterias de tal manera que los canales pudieran ser visualizados mediante microscopía crioelectrónica. Usando cianobacterias congeladas, Weiss "molió" la unión entre dos células, capa por capa, hasta que su muestra fue lo suficientemente delgada. Sin este preprocesamiento, las células esféricas habrían sido demasiado gruesas para la microscopía crioelectrónica.
Mecanismo para evitar fugas
"Debido a la compleja estructura de los canales de conexión, sospechábamos que había un mecanismo para abrirlos y cerrarlos", dijo Karl Forchhammer, profesor de Microbiología de la Universidad de Tubinga. De hecho, él y su equipo fueron capaces de mostrar cómo las células del complejo se comunican entre sí bajo diferentes condiciones de estrés. Tiñeron cadenas de cianobacterias con un tinte fluorescente y luego blanquearon células individuales con un láser. Los investigadores midieron entonces el influjo del tinte de las células vecinas.
Utilizando este método, pudieron demostrar que los canales se cierran cuando se tratan con productos químicos o en la oscuridad. La estructura de la capa de filigrana de un canal se cierra como un iris e interrumpe el intercambio de sustancias entre las células; los investigadores reconocieron este fenómeno a través del grado variable de fluorescencia que observaron.
"Este mecanismo de cierre protege a todo el organismo multicelular", dice Forchhammer. Por ejemplo, puede impedir que una célula transmita sustancias nocivas a las células vecinas, lo que podría destruir todo el organismo. Las cianobacterias también pueden utilizar los canales para evitar que el contenido celular de toda la red se filtre si las células individuales se dañan mecánicamente.
Estructuras conservadas
Con su estudio, los investigadores son capaces de demostrar que en el curso de la evolución, organismos multicelulares de diferentes linajes"inventaron" repetidamente y de forma independiente las uniones celulares. "Subraya lo importante que es para un organismo multicelular poder controlar el transporte de sustancias entre sus células individuales", dice Pilhofer. Al elucidar la estructura del canal y la función en las cianobacterias, los investigadores de ETH están añadiendo otra pieza al rompecabezas. "En nuestra opinión, se trata de una investigación biológica fundamental, sin centrarse en ninguna aplicación potencial. Los nuevos datos más bien nos dan una mayor comprensión de la evolución de las formas de vida complejas", explica el profesor de ETH.
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