Los «terremotos» celulares pueden ayudar a las células a replicar al mundo foráneo

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Las células animales obtienen su integridad estructural de su citoesqueleto, una red de filamentos que cambia de forma dentro de una célula que ayuda a la célula a organizar su estructura y comunicarse con su entorno. Hace unos años, los científicos notaron que algunas partes del citoesqueleto ocasionalmente se reorganizaban muy rápidamente, causando una perturbación similar a un terremoto en una parte de la célula. Llamaron citoterremotos a estas perturbaciones, pero nadie entendió cómo o por qué ocurrieron.

Nuevas simulaciones por computadora desarrolladas por investigadores de la Universidad de Maryland revelan que estos citoterremotos son causados ​​por la acumulación lenta y la liberación repentina de energía mecánica dentro de la célula. Los investigadores creen que los terremotos pueden ayudar a las células a responder rápidamente a las señales del entorno exterior, como las sustancias químicas producidas por otras células u hormonas en el torrente sanguíneo.

La investigación aparece en el número del 8 de octubre de 2021 de la revista. Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. «La citosis representa una remodelación repentina de un componente muy importante de la célula, pero la física detrás de ellas no se conocía realmente», dijo Garegin Papoian, coautor del estudio y profesor de química y bioquímica de Monroe Martin con una cita conjunta en el Instituto. para Ciencias Físicas y Tecnología de la Universidad de Maryland. «Creemos que estos citoterremotos deben ser biológicamente importantes porque el citoesqueleto está involucrado en muchas funciones dentro de la célula. Comprender la física detrás de ellos puede proporcionar información sobre cómo funcionan las células».

El citoesqueleto es como un andamiaje interno dentro de las células animales. Consiste en una red de filamentos que constantemente crecen, se encogen, se adhieren y se desprenden entre sí. Además de proporcionar estructura a una célula, los filamentos también sirven como trazas para el flujo de señales químicas de una parte de una célula a otra.

Papoian y sus colegas plantearon la hipótesis de que la rápida reestructuración repentina que se produce en los citoterremotos era el resultado de que la estructura física del citoesqueleto era particularmente sensible a su entorno. Lo compara con la sensibilidad de un montón de arena a un ladrillo. Ambos pueden estar hechos de las mismas moléculas, pero el ladrillo conserva su estructura, incluso bajo presión, sin colapsar. La pila de arena puede mantener su estructura durante mucho tiempo, pero luego de repente se derrumba en una avalancha de arena deslizante.

Para probar la hipótesis, el equipo creó una simulación por computadora de un modelo de citoesqueleto utilizando un software pionero de simulación de materia activa que desarrollaron llamado MEDYAN para la ‘dinámica mecanoquímica de redes activas’. El software aplica las leyes de la química y la física para determinar cómo interactúan y se comportan las moléculas dentro del citoesqueleto.

El estudio reveló que los filamentos de un citoesqueleto se organizan como una estructura de tensegridad que cambia de forma. En el mundo macroscópico, una estructura de tensegridad es una especie de juguete o escultura geométrica hecha de cables y varillas flotantes bajo tensión y compresión que parecen desafiar la gravedad. El análisis de estas estructuras de tensegridad celular ayudó a Papoian y sus colegas a comprender la liberación de tensión dentro del citoesqueleto. Descubrieron que el voltaje aplicado a un área de la estructura puede aumentar y causar tensión hasta que se libera repentinamente en otra área. En otras palabras, el citoesqueleto se comporta más como un montón de arena que como un ladrillo.

La estructura física del citoesqueleto permite que se acumule tensión entre algunos de los filamentos, como la tensión entre los granos de arena en un montón de arena o entre dos placas tectónicas a lo largo de una línea de falla. Cuando se alcanza un umbral, la tensión se libera repentinamente, el montón de arena se derrumba, un terremoto retumba o se produce una citosis.

«Presumimos que el mecanismo del cito terremoto equilibra la célula para reaccionar rápidamente a las señales externas de su entorno en comparación con un sistema sin este mecanismo», dijo Papoian.

Por ejemplo, si una célula involucrada en la reparación de una lesión tiene que apresurarse al sitio de la herida, el mecanismo del citosismo puede responder a las señales químicas del sitio de la lesión haciendo que la célula se ponga en movimiento. Cuando una célula migra a través del cuerpo, el borde de ataque también puede utilizar este mecanismo para proyectar o colapsar las protuberancias a medida que la célula explora su vecindad local.

El siguiente paso del equipo será expandir sus métodos de simulación para incluir más partes de una célula, como el núcleo. Recientemente, simularon la membrana externa de una célula y analizaron cómo el citoesqueleto empuja contra esta membrana para formar protuberancias en forma de dedos.

«Este trabajo nos muestra que podemos usar MEDYAN para modelar componentes importantes de una célula», dijo Papoian. «Idealmente, nos gustaría seguir adelante y esencialmente construir el modelo fundamental de una célula completa con la resolución de una sola molécula».

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Universidad de Maryland. Original escrito por Kimbra Cutlip. Nota: El contenido se puede cambiar por estilo y longitud.

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