La división celular sigue las reglas de la "materia activa"

En el transcurso de una vida humana típica, las células de nuestro cuerpo se dividen un número incontable de billones de veces. Cada división depende de una máquina molecular llamada huso mitótico, una estructura celular a escala molecular que ayuda a separar nuestro material genético en direcciones opuestas, de modo que cada célula nueva herede el ADN correcto.

A pesar de su importancia, los componentes esenciales para construir un huso estable y funcional han sido un misterio. Conocerlos podría ayudar a explicar cuándo, dónde, por qué y cómo falla la división celular, un fenómeno estrechamente vinculado a enfermedades como el cáncer. También podría contribuir al desarrollo de nuevos materiales inspirados en la naturaleza.

Un estudio publicado hoy en Proceedings of the National Academy of Sciences muestra que solo se requieren dos proteínas específicas. Un equipo del Centro de Regulación Genómica (CRG) en Barcelona y de la Universidad de Cambridge han descubierto que la kinesina-5 y la dineína han evolucionado con las propiedades perfectas para esta tarea.

“Es extraordinario lo sencillo que resulta construir la forma básica de un huso”, afirma el Profesor de Investigación ICREA Thomas Surrey, coautor principal del artículo e investigador del CRG. “Nuestro estudio sugiere que se necesitan muy pocos componentes básicos. Todos los demás factores de la célula actúan como elementos adicionales, refinando o estabilizando un sistema básico que ya funciona. No se necesitan adornos extra”.

El huso está compuesto por unas varillas delgadas llamadas microtúbulos. Cada uno mide aproximadamente 25 nanómetros de ancho, alrededor de 1/4.000 del grosor de un cabello humano. Durante la división, cada célula humana construye y desarma el huso en menos de una hora, mientras que los propios microtúbulos se crean y destruyen en cuestión de minutos. En cualquier momento, millones de células realizan este proceso de manera simultánea en nuestros cuerpos.

Las proteínas “de entrecruzamiento” o reticulación son otro ingrediente clave. Estas moléculas crean un puente físico entre dos microtúbulos, haciendo que cada varilla se mueva o se mantenga en posiciones específicas. Esto contribuye a dar forma al huso y garantiza que la máquina sea estable y esté alineada correctamente para separar los cromosomas.

Cuando el huso tiene dos polos bien definidos, y cada uno en direcciones opuestas, los cromosomas se separan correctamente y nacen dos células nuevas. Cuando se forman múltiples polos, pueden producirse errores en la segregación cromosómica que provoquen el fracaso de la división celular, lo cual a su vez puede causar cáncer u otras muchas enfermedades.

Mediante simulaciones computacionales, el estudio demuestra que crear un huso estable con dos polos es más sencillo de lo que se creía. Al variar características como la velocidad y la fuerza de unión de diferentes proteínas, los autores del estudio observaron en qué condiciones se producen estructuras estables con dos polos en las células humanas. La Kinesina-5 y la dineína colaboraron para dar forma al clásico huso que luego puede separar el ADN.

Los hallazgos surgieron de una plataforma de software de código abierto llamada Cytosim, desarrollada por el Dr. Franҫois Nédélec, coautor principal del estudio y científico de la Universidad de Cambridge. El modelo computacional simula el comportamiento mecánico y químico de los microtúbulos y las proteínas asociadas.

“Es más fácil explorar múltiples diseños y propiedades de proteínas en simulaciones que en experimentos. Esto nos permite entender, en términos cuantitativos, por qué estas proteínas han evolucionado hasta su forma actual”, explica el Dr. Wei-Xiang Chew, investigador posdoctoral del CRG y primer autor del estudio.

“Su sinergia es fundamental para que los cromosomas puedan moverse en dos direcciones opuestas hacia los dos polos exactos de un huso saludable, a diferencia de los husos con múltiples polos, que son característicos del cáncer”, añade.

El estudio puede impulsar la investigación oncológica y el análisis de otras enfermedades causadas por divisiones celulares anómalas. Los modelos computacionales pueden ayudar a explicar cómo evitar la formación de husos con múltiples polos. Por ejemplo, pueden utilizarse para predecir de qué manera ciertas mutaciones en el ADN pueden alterar la velocidad de un motor o interrumpir la formación del huso.

Comprender el diseño básico del huso también puede ayudar a reconstruir versiones simplificadas del huso en el laboratorio, algo que el grupo de Thomas Surrey en el CRG ya está haciendo. Esto podría arrojar luz sobre qué dianas farmacológicas son más relevantes para abordar el cáncer y otras enfermedades relacionadas con divisiones celulares anómalas.

La investigación también puede tener repercusiones más allá de la biología celular. Los autores comparan las proteínas que intervienen en la división celular con los componentes de materiales que pueden autopropulsarse, también conocidos como materia activa, un campo con aplicaciones industriales que van desde el diseño de nano-robots hasta materiales autoensamblables.

En los materiales tradicionales, todo se mueve únicamente si se aplica una fuerza externa. Pero en la materia activa, los componentes individuales consumen pequeñas cantidades de energía por sí mismos para mantener un movimiento interno continuo, lo que permite que el sistema se reorganice formando patrones como las espirales o los vórtices. En este caso, los materiales utilizan el adenosintrifosfato (ATP), la molécula fundamental de la vida encargada de generar energía, para formar el huso y ayudar a las células a dividirse.

“Los materiales activos son sensibles, adaptables y también pueden tener la capacidad de autorrepararse. Los husos se autorreparan, se adaptan y se mantienen fuera del equilibrio termodinámico, cualidades que fascinan a los científicos de materiales. Imitar este truco de la naturaleza podría, algún día, ayudar a construir nuevos materiales inteligentes que se ajusten y se reparen a sí mismos sin intervención externa”, concluye el Dr. Surrey.