Explorar la vida en su forma más simple: científicos crean una "membrana celular mínima" con sólo dos lípidos
Efectos sorprendentes de una dieta con dos lípidos
Los lípidos, o grasas, son esenciales para la vida. Forman las membranas que rodean las células y las protegen del exterior. En la naturaleza existe una enorme diversidad de lípidos y cada organismo tiene su propia combinación. Pero, ¿cuáles son los requisitos mínimos de lípidos para que una célula sobreviva? Un equipo de investigadores del Centro de Bioingeniería Molecular B CUBE de la Universidad Politécnica de Dresde ha demostrado que las células pueden funcionar con sólo dos lípidos. Crearon una célula con una membrana mínima y adaptable, lo que ofrece una plataforma única para estudiar cómo evolucionó la complejidad de los lípidos y cómo puede diseñarse para la vida sintética. Los resultados se publican en Nature Communications.
Las membranas son como burbujas que encapsulan las células y las separan de su entorno. Las membranas también sirven como plataformas donde interactúan las moléculas, coordinando procesos esenciales para la vida.
"Hay una enorme diversidad de lípidos en la naturaleza, y casi todos los organismos tienen su propio conjunto de lípidos, conocido como lipidoma. Las células humanas, por ejemplo, emplean cientos de tipos diferentes de lípidos", explica el Dr. James Sáenz, jefe del grupo de investigación del CUBO B que dirigió el estudio. "Sin embargo, todas estas mezclas diferentes de lípidos aportan soluciones a los mismos retos evolutivos clave: crear una barrera estable y organizar las biomoléculas en el espacio y el tiempo. Queremos entender por qué evolucionaron tantos lípidos diferentes, por qué la vida los necesita y cómo pueden utilizarse para diseñar sistemas vivos sintéticos."
Probando los límites del lipidoma
Para su estudio, el grupo comenzó con Mycoplasma mycoides, una bacteria patógena naturalmente simple. A diferencia de la mayoría de las células, Mycoplasma no puede fabricar sus propios lípidos y debe utilizar los que le proporciona su huésped. Al suplementar sistemáticamente las células con distintas combinaciones de lípidos, los investigadores acotaron la combinación esencial necesaria para la supervivencia y la división.
Descubrieron que las células pueden sobrevivir con una "dieta" de sólo dos lípidos: colesterol y otro lípido llamado formador de bicapas, la fosfatidilcolina.
"Estos dos lípidos no son necesariamente los únicos que podrían sustentar la vida", explica Isaac Justice, el estudiante de doctorado que llevó a cabo el proyecto. "Pero tener tanto un lípido formador de bicapas, que proporciona la estructura básica para la membrana celular, como un lípido no formador de bicapas, como el colesterol, que añade estabilidad, parece ser un requisito fundamental."
Los sorprendentes efectos de una dieta con dos lípidos
El equipo observó las células con una dieta mínima de lípidos al microscopio electrónico y observó efectos espectaculares en la forma y el tamaño de las células. Algunas células crecieron hasta diez veces su tamaño habitual, mientras que otras adoptaron formas y deformaciones inusuales.
"Lo que más me sorprendió", dice Justice, "fue que aproximadamente la mitad de las células con sólo dos lípidos parecían completamente normales. Eran redondas y se dividían bien". A pesar de la drástica reducción de la complejidad lipídica, seguían funcionando sorprendentemente bien."
El reto de reducir la complejidad
Llegar a esta combinación mínima de lípidos no fue tarea fácil. Los experimentos iniciales demostraron que los Mycoplasma podían modificar la mayoría de los lípidos con los que se les alimentaba, transformándolos en nuevos tipos.
"Cuando proporcionábamos colesterol y un fosfolípido de bicapa común, las células eran capaces de generar unos 30 lípidos diferentes a partir de ellos", explica el Dr. Sáenz. Para controlar la composición mínima de lípidos, el equipo suministró a las células lípidos muy similares pero conectados con un tipo diferente de enlace químico que las células no eran capaces de descomponer con sus enzimas.
Ingeniería inversa de la complejidad de la vida
Una vez identificada la dieta lipídica mínima, los investigadores la aplicaron a una "célula mínima" denominada JVCI-Syn3A, que fue diseñada en el Instituto J. Craig Venter para contener únicamente los genes esenciales para la supervivencia. Ahora, con un genoma y un lipidoma mínimos, esta célula constituye una nueva y potente herramienta para la biología sintética.
Este sistema celular mínimo constituye una plataforma única para estudiar cómo los lípidos sustentan la vida. Utilizando los principios de la biología sintética ascendente, los investigadores pueden ahora reintroducir diferentes partes del lipidoma de forma dirigida y explorar los cambios correspondientes en la función celular.
"Puede considerarse ingeniería inversa de la evolución de la complejidad lipídica. No estamos recreando necesariamente los lípidos que estaban presentes en la vida antigua. No podríamos. Simplemente no sabemos cuáles son. Lo que hacemos es reintroducir la complejidad en la membrana de forma sistemática y paso a paso", explica Justice.
"Al encontrar los requisitos mínimos de lípidos para una célula viva, ahora tenemos una plataforma experimental para entender por qué evolucionaron ciertas estructuras lipídicas y cómo sustentan la vida", dice el Dr. Sáenz. "Estos conocimientos podrían ayudarnos algún día a diseñar células sintéticas con membranas a medida para aplicaciones especiales en biotecnología y medicina".
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