Descubren el nanomensajero que mantiene las células en funcionamiento

Unos científicos han descubierto la nanomáquina que controla la exocitosis constitutiva, o sea la entrega ininterrumpida de paquetes moleculares esféricos a la superficie celular. Se trata de una actividad esencial presente en prácticamente todos los organismos para preservar la salud de las células y otras funciones vitales como su crecimiento, la división y la comunicación con el entorno.

El hallazgo lo ha hecho un equipo internacional liderado desde la Universidad Pompeu Fabra (UPF) en Barcelona.

Según Oriol Gallego, que ha liderado la investigación, "pese a ser una de las nanomáquinas más grandes de la célula, su corta vida útil y su dinamismo la hacían muy difícil de capturar".

Para descubrir a este nanomensajero flexible y efímero, los autores del nuevo estudio han combinado el poder de múltiples microscopios con el de la inteligencia artificial. Así, han obtenido una información sin precedentes de un proceso clave que se produce miles de millones de veces al día en nuestro cuerpo. Además, la plena comprensión de la exocitosis podría tener repercusiones positivas en el tratamiento de algunas infecciones y enfermedades raras.

Cada día, cada célula de nuestro cuerpo transporta entre 10 000 y 100 000 paquetes esféricos a la superficie celular para llevar a cabo procesos que requieren la liberación o la exposición de moléculas en el exterior de la célula. Son ejemplos de ello la secreción de enzimas y hormonas como la insulina, la reparación de daños en la superficie celular o simplemente la necesidad de la célula de crecer, moverse y cambiar de forma. Por tanto, la entrega de estos paquetes a la superficie es esencial, ya que está vinculada a muchos procesos vitales que la célula desarrolla diariamente.

"La función de este nanomensajero es tan importante que es muy raro encontrarlo mutado en pacientes, puesto que su alteración comprometería la viabilidad del embrión antes de nacer", apunta Oriol Gallego, jefe del Grupo de Biofísica en Biología Celular del Departamento de Medicina y Ciencias de la Vida (MELIS) de la UPF.

A pesar de ser vital para la célula, este proceso no se había podido estudiar en detalle hasta la fecha, cuando el laboratorio de la UPF, en colaboración con Carlo Manzo (Universidad de Vic – Universidad Central de Cataluña), Daniel Castaño (Instituto Biofisika, en el País Vasco) y Jonas Ries (Max Perutz Labs, en Austria), ha descubierto el nanomensajero. Combinando algunos de los microscopios ópticos y electrónicos más avanzados con el análisis de imágenes mediante la inteligencia artificial, han resuelto la organización de esta nanomáquina y han filmado los rápidos cambios que experimenta su estructura durante la entrega de paquetes esféricos.

Filmando el nanocorreo en acción

En el núcleo de esta nanomáquina, el movimiento coordinado de siete conjuntos de proteínas construye un anillo flexible que sujeta los paquetes esféricos hasta llegar a su destino: la superficie celular. “Este nanomensajero lo hemos llamado ExHOS, que es el acrónimo de la estructura de orden superior del exocisto (por su versión en inglés)”, explica Marta Puig-Tintó de la UPF, una de las autoras principales del estudio. "El ExHOS cuenta con tres puntos de control y un mecanismo de desembalaje que garantiza que la entrega de mercancías a la célula continúe a la velocidad adecuada".

"Es como si cada vez que la célula tuviera que entregar un paquete pesado, un equipo de siete mensajeros fuertes trabajara conjuntamente para hacerlo", explica Sasha Meek, también una de las principales autoras. "Como el paquete es tan pesado, no lo pueden dejar en una sola vez y deben bajarlo en tres pasos. Y cuando han terminado, necesitan a alguien que confirme la entrega para que el equipo de mensajeros, cada uno por su lado, pueda marcharse a hacer otras entregas", añade la joven investigadora.

Representación 3D del nanomensajero transportando una vesícula a la superficie celular. (Imagen: UPF / Dylan Godfrey)

El ExHOS en contexto

Profundizar en la comprensión de la exocitosis va mucho más allá de la mera voluntad de saber, y algún día podría tener un gran impacto en diferentes campos de la ciencia aplicada. Por ejemplo, las plantas necesitan el ExHOS para defenderse de invasiones microbianas. Es por eso que muchos fitopatógenos han desarrollado mecanismos para mermar la inmunidad de las plantas atacando al ExHOS. Un buen ejemplo es el del Magnaporthe oryzae, también conocido como hongo de la infección del arroz, que causa la pérdida de un tercio de la producción mundial de este cereal.

En humanos, diferentes virus como el SARS-CoV-2, el VIH o bacterias patógenas como la Salmonella se comportan de forma similar y secuestran el mecanismo de la exocitosis para infectar a las células humanas. Alteraciones leves de los componentes del ExHOS también están relacionadas con enfermedades humanas. Aunque son infrecuentes, las mutaciones en componentes de este nanomensajero causan enfermedades raras relacionadas con trastornos del neurodesarrollo. La alteración del ExHOS también se ha relacionado con la progresión de cánceres metastásicos.

Una revolución en la observación de células

“Aunque sea de tamaño reducido, el interior de la célula es un espacio inmenso lleno de nanomáquinas enigmáticas que nunca antes se habían podido observar debido a las limitaciones de las herramientas de microscopia actuales”, comenta Marta Puig-Tintó. "Pero creo que el futuro radica en la integración de diversas tecnologías de imagen con el poder de nuevas herramientas computacionales como la inteligencia artificial para ‘hacer visible lo invisible’".

"Con estas nuevas metodologías, hemos podido ver un proceso celular fundamental y vital", comenta Gallego. "Es lo mismo que explicar cómo se intercambia el oxígeno durante la respiración o cómo se mantiene la periodicidad del latido del corazón. Puede que no tenga una aplicación inmediata, pero el descubrimiento de esta nanomáquina facilitará la investigación futura hacia las soluciones a problemas biomédicos y biotecnológicos graves que por ahora no tienen solución", concluye el científico.

El estudio se titula “Continuum architecture dynamics of vesicle tethering in exocytosis”. Y se ha publicado en la revista académica Cell. (Fuente: Universitat Pompeu Fabra)