Científicos en Oregon Health & Science University han descubierto un sistema desconocido anteriormente de “vientos alisios” que ayudan a las células a mover rápidamente proteínas esenciales a la parte frontal de a célula, lo que está reformulando la manera en que los investigadores comprenden la migración celular, la propagación del cáncer y la cicatrización de heridas.
El descubrimiento, publicado hoy en Nature Communications, reformula lo que los investigadores pensaban que sabían acerca de cómo las células dirigen las proteínas al lugar adecuado en el momento adecuado.
Durante décadas, los libros de texto de Biología han enseñado que las proteínas de libre flotación dentro de las células se mueven principalmente por difusión, flotando aleatoriamente hasta que llegan a su destino. Pero el nuevo estudio muestra que las células no dejan esto al azar. En cambio, crean torrentes de líquido dirigidas que empujan a las proteínas esenciales hacia el borde delantero de la célula, donde comienza el movimiento y la reparación.
De descubrimiento por accidente a gran avance
Los coautores del estudio, Catherine (Cathy) Galbraith, Ph.D. y James (Jim) Galbraith, Ph.D., profesores asociados en el Departamento de Ingeniería Biomédica de OHSU e investigadores de Discovery Engine en OHSU Knight Cancer Institute, remontan el descubrimiento a una observación inesperada hace años durante el curso de Neurobiología en el Marine Biological Laboratory en Massachusetts.
“En realidad empezó como un hallazgo inesperado”, comentó Cathy. “Simplemente estábamos llevando a cabo un experimento con los estudiantes en el aula”.
Usaron un láser para hacer que las proteínas fueran invisibles en una franja a lo largo de la parte posterior de una célula viva, como técnica estándar para hacer un seguimiento de cómo los materiales se mueven dentro de las células, cuando apareció algo inesperado: una segunda línea pequeña y oscura en el borde anterior de la célula que se expande a medida que se mueve.
“Lo hicimos casi por diversión y después nos dimos cuenta de que esto nos brindaba una manera de medir algo que no se podía medir antes”, comentó.
Esa línea oscura inesperada resultó ser una onda de actina soluble, una de las proteínas esenciales que ayudan a las células a moverse, que estaba siendo empujada rápidamente al borde delantero de la célula. Hasta ahora, los científicos asumían que la actina llegaba allí principalmente por difusión, flotando a través de la célula de manera aleatoria. Pero los experimentos de los Galbraith revelaron algo completamente diferente.
“Nos dimos cuenta de que a los modelos de dibujo en los libros de texto les faltaba una pieza enorme”, dijo Jim. “Tenía que haber algún tipo de flujo en la célula que empujara las cosas hacia adelante. En realidad, las células no se dejan llevar”.
Comprender la migración de células cancerígenas
Cathy y Jim fueron reclutados en OHSU en 2013 procedentes de los Institutos Nacionales de Salud, donde colaboraron con el Premio Nobel Eric Betzig, Ph.D. en el vecino Janelia Research Campus del Howard Hughes Medical Institute, en el desarrollo de la microscopía de súper-resolución de células vivas.
Mediante ensayos de imágenes aleatorios, los científicos descubrieron que las células crean flujos de líquido direccionales de manera activa, que el equipo equipara a ríos atmosféricos. Estas corrientes empujan a la actina y otras proteínas hacia adelante de manera mucho más rápida que la difusión.
“Descubrimos que la célula puede estrecharse en la parte trasera y dirigir hacia donde envía ese material”, dijo Jim. “Si aprietas media esponja, el agua solo va a esa mitad. Eso es básicamente lo que hace la célula”.
Este flujo interno no es específico, lo que significa que se lleva consigo muchos tipos de proteínas a la vez.
El resultado es un sistema de entrega rápido y eficiente que impulsa la protrusión, adherencia y los cambios de forma rápidos, que son procesos fundamentales para el movimiento celular, la respuesta inmune y la reparación de tejidos. Los hallazgos publicados confirman que estos flujos ocurren dentro de un compartimento especializado en la parte delantera de la célula, separados del resto de la célula mediante una barrera condensada de actina-miosina que actúa como un muro físico y dirige los flujos hacia las regiones más cercanas al borde de la célula.
Para visualizar las corrientes, el equipo desarrollo una versión inversa de una técnica de fluorescencia estándar. En vez de usa un láser para descolorar la luz, activaron moléculas fluorescentes en un solo punto y observaron cómo se movían.
El equipo apodó a uno de los experimentos FLOP (Fluorescence Leaving the Original Point), que significa Fluorescencia Saliendo del Punto Original.
“Pero no se trató de un fracaso en absoluto”, comentó Cathy. “Fue lo contrario. En vez de ser un fracaso, funcionó”.
El descubrimiento del equipo podría ayudar a explicar por qué ciertas células cancerígenas se mueven de manera tan agresiva.
“Sabemos que estas células altamente invasivas tienen este mecanismo genial para empujar proteínas de manera muy rápida, muy acelerada, hacia donde las necesitan en la parte delantera de la célula”, comentó Jim. “Todas las células tienen básicamente los mismos componentes en su interior, de manera muy similar a cómo un Porsche y un Volkswagen tienen muchas de las mismas partes, pero cuando esas partes se ensamblan en el vehículo final, se comportan y funcionan de manera muy diferente”.
Al comprender estas diferencias, los investigadores esperan identificar nuevas maneras de interrumpir la migración de células cancerígenas.
“Si se pueden entender las diferencias, se pueden enfocar las terapias futuras en base a cómo las células cancerígenas y las células normales funcionan de manera diferente”, indicó.
Colaboración para hallazgos clave
El proyecto integró ingeniería, física, microscopía y biología celular con contribuciones clave de colaboradores en Janelia Research Campus en Virginia, que incluyen expertos en espectroscopía de correlación de fluorescencia e imagenología de súper-relación tridimensional.
“La instrumentación que necesitamos no existe en la mayoría de los lugares”, indicó Cathy. “Janelia tiene un equipo único que nos permite probar y confirmar lo que estamos viendo”.
La mayor parte del proyecto depende de técnicas de imagenología avanzadas desarrolladas en Janelia, entre ellas iPALM, un método interferométrico para resolver estructuras a escala nanométrica que los Galbraith ayudaron a desarrollar.
“iPALM nos permitió ver los compartimentos físicamente”, indicó Jim. “No hay ninguna otra técnica basada en la luz que pueda hacerlo”.
Los investigadores dicen que el estudio revela una “seudo-organela”, o un compartimento funcional que no está rodeado por una membrana, pero que aun así define cómo se comporta la célula.
“De la misma manera en que pequeños cambios en la corriente en chorro cambia el clima, pequeños cambios en estos vientos celulares cambian la manera en que las enfermedades empiezan o avanzan”, comentó Cathy.
El equipo cree que este trabajo abre nuevos rumbos para la investigación contra el cáncer, la administración de fármacos, la reparación de tejidos y la biología sintética.
“Todo lo que había que hacer era mirar”, dijo Cathy. “Los flujos siempre han estado presentes. Ahora sabemos cómo los usan las células”.
Además de los Galbraiths, los coautores de este estudio son Brian English, Ph.D., del Janelia Research Campus, y Ulrike Boehm, Ph.D., que anteriormente estaba en Janelia y ahora está en Carl Zeiss AG of Germany.
Esta investigación fue apoyada por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales, de los Institutos Nacionales de la Salud, con el número de subvención R01GM117188, la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos, con los números de subvención 2345411 y 171636, la W. M. Keck Foundation, el Howard Hughes Medical Institute Janelia Visiting Scientist Program, y el Howard Hughes Medical Institute. El trabajo de iPALM fue financiado en parte por una subvención del Advanced Imaging Center en Janelia. La imagenología SIM fue financiada en parte por una subvención de Core Research Facilities de OHSU School of Medicine.