Nuevas imágenes revelan los secretos del control del tráfico celular

Investigadores de la Universidad A&M de Texas trabajan con expertos del Centro de Imágenes del EMBL para descubrir cómo las moléculas navegan por el complejo de poros nucleares

25.03.2025

Al igual que las ciudades deben gestionar cuidadosamente el flujo de coches que entran y salen del centro, las células regulan el movimiento de moléculas que entran y salen del núcleo. Esta metrópolis microscópica depende de intrincadas puertas de entrada -los complejos de poros nucleares (CPN)- dentro de la envoltura nuclear para controlar su tráfico molecular. Una nueva investigación del equipo de Siegfried Musser, de la Facultad de Medicina de la Universidad A&M de Texas, arroja luz sobre el funcionamiento de este sistema con una selectividad y un control exquisitos, descubrimientos que podrían aportar nuevos conocimientos sobre afecciones como las enfermedades neurodegenerativas y el cáncer.

Musser y su equipo han estado investigando cómo se mueven las moléculas a través de los poros de la doble membrana que envuelve el núcleo de forma rápida y eficaz, sin colisionar ni congestionarse. El equipo ha publicado recientemente un estudio en la revista Nature que revela nuevos conocimientos sobre el transporte molecular.

El estudio requirió una técnica avanzada de obtención de imágenes denominada MINFLUX, que el Centro de Obtención de Imágenes (IC) del EMBL proporcionó.

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Con MINFLUX, los investigadores siguieron los movimientos moleculares en milisegundos y en 3D a una escala sin precedentes: unas 100.000 veces menor que la anchura de un cabello humano. Sus hallazgos demuestran que la importación (el proceso por el que las moléculas entran en el núcleo) y la exportación (el proceso por el que las moléculas salen) se producen en autopistas superpuestas dentro del complejo de poros nucleares. Esto cuestiona una hipótesis anterior según la cual estos procesos podrían tener lugar en carriles separados.

Un sistema de tráfico sorprendente

"Cuando empezamos, barajamos dos posibilidades", explicó Musser. "Una, que la importación y la exportación utilizaran vías distintas, eliminando el riesgo de atascos; y dos, que el transporte se produjera a través del mismo canal, pero se evitaran colisiones al maniobrar las moléculas unas alrededor de otras".

Sus hallazgos recientes apuntan a la segunda hipótesis. Las moléculas se mueven por conductos estrechos en ambas direcciones, zigzagueando unas alrededor de otras en lugar de seguir una autopista dividida. Además, sólo utilizan una pequeña sección transversal del diámetro del poro, migrando cerca de las paredes del canal y ausentándose del centro. Y lo que es aún más sorprendente, el movimiento dentro del CNP es unas 1.000 veces más lento que en una solución abierta -como moverse a través de jarabe de arce- debido a una red de proteínas desordenadas que ocluyen el poro.

"Este es el peor de los casos: tráfico bidireccional en conductos más estrechos", explica Musser. "Lo que descubrimos fue una combinación inesperada de estas posibilidades, así que en realidad no conocemos la respuesta completa, y es más complicado de lo que pensábamos inicialmente".

Evitar los atascos

A pesar de la lentitud de sus movimientos, el transporte de las CNP no parece verse afectado por las aglomeraciones, y parece evitar con éxito los atascos.

"Es posible que las CNP estén diseñadas para expresarse en números tales que no necesiten funcionar al máximo de su capacidad", afirma Musser. "Esto, en sí mismo, podría limitar los efectos deletéreos de la competencia y los atascos".

En lugar de pasar directamente por el centro del CNP, las moléculas parecen moverse a través de uno de los ocho canales de transporte distintos, cada uno confinado en un único radio dentro del anillo periférico, lo que sugiere un mecanismo estructural que ayuda a regular el tráfico.

"Hace tiempo que se observa que los poros nucleares de las levaduras tienen un 'tapón central', pero la naturaleza de este material sigue siendo desconocida", afirma Musser. "En los seres humanos no se ha observado fácilmente un 'tapón central' de este tipo, pero la compartimentación funcional es una posibilidad muy real y el centro del poro podría ser la vía principal de exportación del ARNm".

Observar los atascos a escala nanométrica

Para visualizar el movimiento de las moléculas a través de los CNP, los investigadores necesitaban un método que les permitiera seguir moléculas individuales con alta resolución a lo largo del tiempo. Según Sebastian Schnorrenberg, especialista en aplicaciones del CI del EMBL, MINFLUX es actualmente el método de microscopía óptica que ofrece la mayor resolución espacial y temporal, hasta diez veces más preciso para el seguimiento que los métodos anteriores. También permite a los investigadores rastrear moléculas durante mucho más tiempo en comparación con otras técnicas de microscopía.

"Esto significaba que podíamos obtener muchos más puntos de datos y lograr una mayor precisión en el rastreo de moléculas de carga de lo que era posible con tecnologías anteriores", afirma Schnorrenberg. Aunque el grupo de Musser había publicado anteriormente estudios con métodos convencionales de seguimiento de una sola partícula, MINFLUX les permitió analizar el proceso de importación y exportación con mucha más precisión y aportar nuevos conocimientos biológicos.

"A nivel personal, ha sido uno de los proyectos de usuario tecnológicamente más desafiantes en los que he trabajado", afirma Schnorrenberg. "En el transcurso del proyecto, tuvimos que resolver diversos problemas y desarrollar nuevas formas de combinar distintos enfoques, algunos de los cuales nunca habíamos intentado antes".

Para procesar y analizar los datos del MINFLUX, los investigadores contaron con el apoyo de Ziqiang Huang, Especialista en Análisis de Imágenes del IC del EMBL. "MINFLUX proporciona la capacidad de rastrear el transporte de poros nucleares con una resolución espacial nanométrica y una resolución temporal de milisegundos", dijo Huang.

"Este proyecto es también un gran ejemplo de hacia dónde aspiramos a desarrollar nuestro servicio en el EMBL IC a largo plazo", dijo Schnorrenberg. "MINFLUX no sólo permite el seguimiento de moléculas individuales en células, sino que en teoría también podría utilizarse para visualizar cambios estructurales en proteínas, lo que nos permitiría observar proteínas en acción. Personalmente, esto me parece muy emocionante".

Implicaciones para las enfermedades y futuras investigaciones

El CNP desempeña un papel crucial en la función celular, y su disfunción se ha relacionado con numerosas enfermedades, entre ellas enfermedades cerebrales progresivas como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Huntington. Además, se sabe que el aumento de las tasas de tráfico de CNP es importante para el crecimiento canceroso. Aunque dirigirse a regiones específicas de la CNF podría ser una estrategia terapéutica para desatascar poros "bloqueados" o reducir las tasas de tráfico, Musser advierte que el transporte por la CNF es una función celular fundamental y que interferir en varios aspectos de la función podría causar efectos secundarios significativos.

"Es importante distinguir entre los efectos que se producen en el poro (transporte) y los que se producen fuera del poro (ensamblaje y desensamblaje del complejo de transporte)", afirma Musser. "Sospecho que la mayoría de los vínculos del transporte nuclear con la enfermedad entran en esta última categoría, pero esto no implica que todos lo hagan, y algunos ciertamente no". Por ejemplo, las mutaciones en el gen c9orf72, asociado a la ELA y la demencia frontotemporal, pueden dar lugar a agregados que bloquean los CNP.

De cara al futuro, Musser y su principal colaborador, el doctor Abhishek Sau, científico investigador adjunto y director de instalaciones del Texas A&M Joint Microscopy Lab, seguirán trabajando con su equipo en Alemania (EMBL IC y Abberior Instruments) para determinar si distintas moléculas de carga -como las grandes subunidades ribosómicas y el ARNm- utilizan vías de transporte distintas o comparten una ruta común. También está en el horizonte la posibilidad de adaptar MINFLUX para la obtención de imágenes en tiempo real en células vivas, lo que podría proporcionar una imagen aún más clara de la dinámica del transporte nuclear.

Este estudio, financiado por los Institutos Nacionales de la Salud, ofrece una nueva perspectiva sobre la forma en que las células gestionan eficazmente el tráfico molecular, lo que aporta información crucial sobre la función celular y las enfermedades. Puede que el núcleo sea una metrópolis microscópica, pero gracias a la CNP, su sistema de control del tráfico sigue siendo extraordinariamente eficiente.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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