Descubren cómo funciona el olfato de las levaduras

Un problema frecuente al que se enfrentan las células es que están rodeadas por una prometedora nube de olor y deben determinar la dirección de su fuente. Las células nerviosas, por ejemplo, forman largas extensiones que son atraídas por las señales de otras células con el fin de producir la red que forma el sistema nervioso; del mismo modo, las células buitre reconocen el olor de gérmenes dañinos con el fin de perseguirlos y destruirlos.

Pero ¿cómo detectan las células estas señales de olor, que se vuelven más y más débiles a medida que aumenta la distancia con la fuente? ¿Cómo leen las células este debilitamiento de la señal -técnicamente conocido como gradiente de señal- con el fin de orientar su crecimiento o movimiento hacia la fuente de la señal? Cómo se detectan las señales espaciales es una pregunta fundamental a la que se enfrenta la biología, y hasta ahora este enigma se ha mantenido en gran medida sin resolver.

Ahora, investigadores dirigidos por el profesor Matthias Peter, del Instituto de Bioquímica de la Escuela Politécnica Federal (ETH) de Zúrich (Suiza), han presentado una posible solución. Las células de levadura tienen una multiherramienta muy sutil y ajustable que reconoce las señales químicas, las procesa en consecuencia, e inicia la respuesta correcta: crecer hacia la fuente de la señal. Por lo tanto, las células de levadura son capaces de oler la ubicación de posibles parejas sexuales en su entorno, para crecer hacia ells.

Los biólogos realizaron su estudio utilizando una combinación de observaciones microscópicas y un modelo informático que desarrollado a través de una colaboración interdisciplinar con investigadores del Laboratorio de Control Automático de Heinz Koeppl (ahora en la Universidad Técnica de Darmstadt, Alemania).

Multiherramienta

Si la célula sospecha que hay un gradiente de señal cerca, coloca la multiherramienta en una posición aleatoria en la membrana. Esta herramienta es un gran complejo de proteínas formado por más de 100 componentes diferentes; el complejo es tan grande que se puede ver a través de un microscopio de fluorescencia. Los investigadores llaman a esto un sitio de polaridad (SP) porque se produce un crecimiento polarizado en el lugar donde se forma el complejo.

Usando microscopía de fluorescencia, los investigadores han observado cómo localiza el SP la fuente de señal de un gradiente. En primer lugar, el SP se mueve a lo largo de la membrana hacia la señal más fuerte. Una vez que ha identificado la mayor cantidad de sustancia de la señal en el gradiente, deja de moverse. El SP a continuación crea en esta ubicación de la célula una protuberancia, que sigue creciendo hacia la fuente de la señal. Naturalmente, la señal la produce una pareja sexual y las dos células se fusionan una vez que se encuentran la una a la otra.

Modelo computacional

Con el fin de entender los mecanismos moleculares de este proceso, los investigadores recurrieron a un modelo de ordenador. "Este modelo nos ayudó a reducir la complejidad del SP y el proceso a unos pocos componentes esenciales", dice Björn Hegemann, autor principal de un estudio publicado en la revista Development Cell, en la información de ETH.

Estos componentes esenciales de la maquinaria incluyen un receptor que recoge y envía la señal, o la proteína Cdc42, que transporta el receptor a lo largo de la membrana, y la proteína Cdc24, que regula la actividad de Cdc42. "Se podría describir el receptor como la nariz, Cdc42 como la rueda de la maquinaria y Cdc24 como su freno", dice Hegemann.

Mientras el SP se está moviendo a través de la membrana celular en busca de una señal química más fuerte, sólo están presentes en la maquinaria unas pocas moléculas de la proteína de ruptura Cdc24. Una vez que se ha encontrado la concentración máxima de la señal, el SP solicita moléculas Cdc24 adicionales, que se almacenan en el núcleo, para unirse al complejo. Cuantas más moléculas de Cdc24 se conectan a la máquina SP, más lenta se vuelve. Sin embargo, sólo cuando la cantidad de Cdc24 supera un cierto umbral, se detiene completamente el SP y empieza a formarse el bulto en la célula.

"En primer lugar, observamos el movimiento del sitio de polaridad mediante el microscopio de fluorescencia. Luego simulamos este movimiento en el equipo, lo que nos permitió desarrollar una hipótesis de cómo se podría controlar el movimiento. Entonces pudimos confirmar esta hipótesis de forma experimental a través de mutaciones y utilizando el microscopio de fluorescencia", dice Hegemann, que está satisfecho con los nuevos hallazgos.

Según él, el modelo computacional, relativamente sencillo, fue una excelente base para la planificación de los experimentos, permitiendo a los investigadores cambiar los componentes rápidamente y con ello identificar aspectos importantes. Esto hizo el estudio más simple, dice, ya que no era necesario probar todo experimentalmente.

Hegemann asume que no sólo las células de levadura utilizan una multiherramienta semejante al sitio polaridad. Un comportamiento similar al de un SP también se ha observado en la levadura de fisión (S. pombe) y en el gusano C. elegans, aunque sin explicación molecular.

Este trabajo establece una importante piedra fundacional para más estudios sobre la percepción espacial de señales por las células -tanto en la levadura como en los seres humanos. Según Hegemann, actualmente no hay aplicaciones médicas directas previstas.

Referencia bibliográfica:

Björn Hegemann, Michael Unger, Sung Sik Lee, Ingrid Stoffel-Studer, Jasmin van den Heuvel, Serge Pelet, Heinz Koeppl, Matthias Peter: A Cellular System for Spatial Signal Decoding in Chemical Gradients. Developmental Cell (2015). DOI: 10.1016/j.devcel.2015.10.013.