Proteina con la pistola de arranque
Si las bacterias inactivas comienzan a reproducirse no es una coincidencia. Más bien, simplemente están esperando una señal clara de una única proteína en el interior de la célula
Las bacterias son capaces de un crecimiento extremadamente rápido, pero solo cuando las condiciones son adecuadas. Si carecen de nutrientes, o si es demasiado frío o seco, entrarán en un estado inactivo para esperarlos. Hasta ahora, la cuestión de cómo las células bacterianas individuales deciden si se dividen se ha estudiado generalmente utilizando poblaciones que están creciendo felizmente. Pero hasta la fecha, nadie ha podido decir qué es lo que hace que una bacteria inactiva se despierte y comience a dividirse.
Ahora Uwe Sauer, Director del Instituto de Biología de Sistemas Moleculares de ETH Zurich, y su equipo de investigadores han resuelto este misterio. Estudiaron la bacteria intestinal E. coli para averiguar qué impulsa la decisión de una célula de dividirse por primera vez. Sorprendentemente, la respuesta se encuentra en una única proteína en el interior de la célula bacteriana: solo cuando la concentración de esta proteína supera un cierto umbral, la célula se dividirá. Basados en sus hallazgos, los investigadores desarrollaron un modelo matemático. "Ahora, por primera vez, este modelo hace predicciones cuantitativas de cuándo comenzará la división celular ", dice Sauer. Su estudio fue publicado recientemente en la revista Molecular Systems Biology.
Para entender este mecanismo, los investigadores primero causaron que las bacterias de E. coli se vuelvan inactivas al dejarlas sin nutrientes. Luego, alimentaron a las células con pequeñas gotas de solución de glucosa, que las bacterias no perdieron tiempo en devorar: en segundos, su metabolismo entró en acción. Para demostrar esto, los investigadores utilizaron un método desarrollado en el laboratorio de Sauer que permite la medición simultánea en tiempo real de cientos de productos metabólicos.
Su análisis mostró que las bacterias tardaron un tiempo sorprendentemente corto en convertir la glucosa en la que se alimentaban a nueva biomasa, incluidos los aminoácidos y los ácidos nucleicos del tipo que posteriormente componen las proteínas y el ADN, los requisitos previos para formar nuevas células.
La frecuencia de alimentación es la clave.
Las bacterias que ya están en una fase de crecimiento continuarán dividiéndose mientras haya suficiente biomasa nueva. Pero fue una historia diferente con células latentes: darles las gotas de glucosa nutritivas cada diez minutos hizo que produjeran más y más biomasa con el tiempo, pero aún no se dividieron. Solo cuando los investigadores redujeron el intervalo de tiempo y alimentaron las células cada cuatro minutos, se produjo la división celular, aunque después de una hora. Acelerar la velocidad de alimentación a una vez por minuto tuvo el efecto de que la división celular comenzó casi de inmediato. "No fue la cantidad total de azúcar lo que fue decisivo, sino la frecuencia de alimentación", dice Sauer.
Esto llevó a los investigadores a sospechar que las células estaban convirtiendo la glucosa en una proteína clave, pero que esta proteína se estaba descomponiendo en el tiempo entre las tomas. Solo cuando la glucosa se proporciona a intervalos suficientemente frecuentes es más de la proteína producida que descompuesta, lo que permite que la célula se divida. Para probar su hipótesis, los investigadores analizaron la literatura científica en busca de proteínas que desempeñan un papel en la división celular y que son descompuestas por las propias proteasas de la célula. Así es como rastrearon la proteína FtsZ, que forma un anillo durante la división que ayuda a una célula a dividirse en dos células hijas.
La división celular de la proteína FtsZ como señal.
Junto con el profesor Roman Stocker del Instituto de Ingeniería Ambiental de ETH Zurich y el Profesor Suckjoon Jun de la Universidad de California en San Diego, los investigadores pudieron demostrar que FtsZ realmente se descompone en las células de E. coli y que su concentración disminuye durante períodos de inanición. Resulta que esta era la proteína clave que buscaban los investigadores, porque acelerar artificialmente la descomposición de FtsZ retrasó el inicio de la división celular. En contraste, cuando los investigadores utilizaron métodos genéticos para hacer que las células produjeran más FtsZ, esas células comenzaron a dividirse antes. "Así es como mostramos que la concentración de FtsZ es la señal decisiva para que las células comiencen a dividirse", dice Sauer.