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La levadura en situación sin estrés (izquierda), estrés constante (centro) y estrés oscilatorio (derecha). Fuente: UCSF.
Los trucos de magia funcionan porque se aprovechan de suposiciones sensoriales del cerebro, engañando al público para que vean ilusiones y no se den cuenta de los juegos de manos. Ahora un equipo de investigadores de la Universidad de California en San Francisco (EE.UU.) ha descubierto que incluso las levaduras unicelulares carentes de cerebro tienen sesgos sensoriales que puede ser manipulados por una ilusión cuidadosamente diseñada.
"La capacidad de percibir y responder al medio ambiente es un atributo fundamental de todos los organismos vivos, desde el mayor hasta el más pequeño", dice Wendell Lim, autor principal del estudio, en la información de la UCSF. "Y también la susceptibilidad a las percepciones erróneas. No importa si la ilusión se basa en sensores moleculares dentro de una sola célula o en neuronas del cerebro ".
En el nuevo estudio, publicado en línea en Science Express, Lim y su equipo descubrieron que las células de levadura perciben erróneamente un patrón de estrés programado específicamente -causado por la alternancia entre niveles de sodio bajos y levemente aumentados- como un estrés masivo, en crecimiento continuo.
En respuesta, los microbios terminan sobre-respondiendo y suicidándose. Los resultados, dice Lim, sugieren una nueva forma de mirar las capacidades perceptivas de las células simples e incluso podrían ser utilizados para desarrollar nuevos enfoques para la lucha contra las enfermedades mediante el poder de la ilusión.
'Talón de Aquiles'
Este sesgo es el talón de Aquiles de los microorganismos. "El descubrimiento fue un poco de un accidente en realidad", dice Lim, director del Departamento de Farmacología Celular y Molecular y del Centro de Sistemas y Biología Sintética de la UCSF, e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. "Estábamos interesados en la cuestión general de cómo interpretan las células la información en el tiempo. La frecuencia es un aspecto clave de todas nuestras comunicaciones, ya sea el lenguaje audible o la transmisión de señales de radio, ¿pero usan las propias células este tipo de información? Es algo de lo que no sabemos mucho".
Para explorar esta cuestión, dos becarios postdoc del laboratorio de Lim, Ping Wei, ahora en la Universidad de Pekín, y Amir Mitchell, establecieron un sistema que les permitió exponer la levadura a un factor de estrés leve -un pequeño aumento de sal en el ambiente de la levadura- y hacer oscilar el sistema entre el aumento de nivel de sal y el nivel de base a diferentes frecuencias.
Normalmente, las moléculas sensoriales de una célula de levadura detectan cambios en la concentración de sal y dan instrucciones a la célula para responder mediante la producción de un producto químico protector. Después de esta respuesta transitoria, la célula puede continuar creciendo felizmente como si las condiciones no hubieran cambiado.
Los investigadores encontraron que las células eran perfectamente capaces de adaptarse cuando la frecuencia de estrés salino era de un minuto, o de 32 minutos. Pero para su sorpresa, cuando intentaron una oscilación de exactamente ocho minutos, las células dejaron rápidamente de crecer y comenzaron a morir.
"Ese fue un momento asombroso", dice Mitchell. "Estas células deberían ser capaces de manejar este nivel de estrés osmótico, pero en una frecuencia particular se vuelven locas. Nunca habíamos visto nada como esto antes".
"La capacidad de percibir y responder al medio ambiente es un atributo fundamental de todos los organismos vivos, desde el mayor hasta el más pequeño", dice Wendell Lim, autor principal del estudio, en la información de la UCSF. "Y también la susceptibilidad a las percepciones erróneas. No importa si la ilusión se basa en sensores moleculares dentro de una sola célula o en neuronas del cerebro ".
En el nuevo estudio, publicado en línea en Science Express, Lim y su equipo descubrieron que las células de levadura perciben erróneamente un patrón de estrés programado específicamente -causado por la alternancia entre niveles de sodio bajos y levemente aumentados- como un estrés masivo, en crecimiento continuo.
En respuesta, los microbios terminan sobre-respondiendo y suicidándose. Los resultados, dice Lim, sugieren una nueva forma de mirar las capacidades perceptivas de las células simples e incluso podrían ser utilizados para desarrollar nuevos enfoques para la lucha contra las enfermedades mediante el poder de la ilusión.
'Talón de Aquiles'
Este sesgo es el talón de Aquiles de los microorganismos. "El descubrimiento fue un poco de un accidente en realidad", dice Lim, director del Departamento de Farmacología Celular y Molecular y del Centro de Sistemas y Biología Sintética de la UCSF, e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. "Estábamos interesados en la cuestión general de cómo interpretan las células la información en el tiempo. La frecuencia es un aspecto clave de todas nuestras comunicaciones, ya sea el lenguaje audible o la transmisión de señales de radio, ¿pero usan las propias células este tipo de información? Es algo de lo que no sabemos mucho".
Para explorar esta cuestión, dos becarios postdoc del laboratorio de Lim, Ping Wei, ahora en la Universidad de Pekín, y Amir Mitchell, establecieron un sistema que les permitió exponer la levadura a un factor de estrés leve -un pequeño aumento de sal en el ambiente de la levadura- y hacer oscilar el sistema entre el aumento de nivel de sal y el nivel de base a diferentes frecuencias.
Normalmente, las moléculas sensoriales de una célula de levadura detectan cambios en la concentración de sal y dan instrucciones a la célula para responder mediante la producción de un producto químico protector. Después de esta respuesta transitoria, la célula puede continuar creciendo felizmente como si las condiciones no hubieran cambiado.
Los investigadores encontraron que las células eran perfectamente capaces de adaptarse cuando la frecuencia de estrés salino era de un minuto, o de 32 minutos. Pero para su sorpresa, cuando intentaron una oscilación de exactamente ocho minutos, las células dejaron rápidamente de crecer y comenzaron a morir.
"Ese fue un momento asombroso", dice Mitchell. "Estas células deberían ser capaces de manejar este nivel de estrés osmótico, pero en una frecuencia particular se vuelven locas. Nunca habíamos visto nada como esto antes".
Aplicaciones
Mitchell, primer autor del estudio, inspeccionó el mecanismo celular que subyace a esta toxicidad inesperada, dependiente de la frecuencia.
Usando modelos matemáticos y experimentos en los que retorció el cableado molecular de la vía de la proteína quinasa activada por mitógeno (MAPK) que media en los sistema de detección de sal de las células, reveló una percepción sensorial errónea: Debido a la forma en que está configurada la vía MAPK, las células interpretan una oscilación de ocho minutos como un escalonamiento cada vez mayor de la concentración de sal. Esto conduce a la activación excesiva de la respuesta protectora de las células, y en última instancia a la muerte.
"¿Por qué han desarrollado estas células esta extraña sensibilidad a las oscilaciones de la sal?", se preguntó Mitchell. "Bueno, no creemos que sea así. Es sólo un efecto secundario del hecho de que la red de señalización molecular que utilizan las células de levadura para mediar en esta respuesta de estrés se ha optimizado para su entorno natural, en el que el estrés de sal normalmente se produce de manera gradualmente creciente -como cuando la levadura está sobre una uva mientras el rocío de la mañana se evapora lentamente. Es este supuesto por parte de la levadura -la previsión de que la tensión seguirá haciéndose más grave- la que crea su talón de Aquiles".
El estudio sugiere que muchos tipos de células, incluidas las células humanas, pueden estar predispuestas a las percepciones erróneas y podrían ser engañadas por ilusiones cuidadosamente diseñadas. Por ejemplo, dice Mitchell, la vía de señalización por la cual las células cancerosas humanas responden a factores químicos de crecimiento está estrechamente relacionada con la vía MAPK de detección de estrés en la levadura. Por lo tanto, la identificación de percepciones erróneas en células específicas en última instancia podría explotarse para inducir a que las células cancerosas se suicidaran, sugiere, mientras que el daño a las células sanas vecinas sea mínimo.
"Por sí solo, este es un hallazgo humilde", dice Lim, que sin embargo cree que tiene implicaciones más amplias para la investigación biomédica. "Al igual que nosotros, las células tienen percepciones sesgadas basadas en los patrones del ambiente en el que han evolucionado. Mediante la comprensión de estos sesgos, podemos modular su comportamiento", dice. "En particular, es sorprendente darse cuenta de lo importante que es la dimensión temporal para las células. El patrón temporal con el que se presenta cualquier estímulo, ya sea concentraciones de sal, fármacos o haces de luz, puede marcar la diferencia totalmente".
La investigación fue financiada principalmente por organismos públicos de EE.UU., China y Europa.
Mitchell, primer autor del estudio, inspeccionó el mecanismo celular que subyace a esta toxicidad inesperada, dependiente de la frecuencia.
Usando modelos matemáticos y experimentos en los que retorció el cableado molecular de la vía de la proteína quinasa activada por mitógeno (MAPK) que media en los sistema de detección de sal de las células, reveló una percepción sensorial errónea: Debido a la forma en que está configurada la vía MAPK, las células interpretan una oscilación de ocho minutos como un escalonamiento cada vez mayor de la concentración de sal. Esto conduce a la activación excesiva de la respuesta protectora de las células, y en última instancia a la muerte.
"¿Por qué han desarrollado estas células esta extraña sensibilidad a las oscilaciones de la sal?", se preguntó Mitchell. "Bueno, no creemos que sea así. Es sólo un efecto secundario del hecho de que la red de señalización molecular que utilizan las células de levadura para mediar en esta respuesta de estrés se ha optimizado para su entorno natural, en el que el estrés de sal normalmente se produce de manera gradualmente creciente -como cuando la levadura está sobre una uva mientras el rocío de la mañana se evapora lentamente. Es este supuesto por parte de la levadura -la previsión de que la tensión seguirá haciéndose más grave- la que crea su talón de Aquiles".
El estudio sugiere que muchos tipos de células, incluidas las células humanas, pueden estar predispuestas a las percepciones erróneas y podrían ser engañadas por ilusiones cuidadosamente diseñadas. Por ejemplo, dice Mitchell, la vía de señalización por la cual las células cancerosas humanas responden a factores químicos de crecimiento está estrechamente relacionada con la vía MAPK de detección de estrés en la levadura. Por lo tanto, la identificación de percepciones erróneas en células específicas en última instancia podría explotarse para inducir a que las células cancerosas se suicidaran, sugiere, mientras que el daño a las células sanas vecinas sea mínimo.
"Por sí solo, este es un hallazgo humilde", dice Lim, que sin embargo cree que tiene implicaciones más amplias para la investigación biomédica. "Al igual que nosotros, las células tienen percepciones sesgadas basadas en los patrones del ambiente en el que han evolucionado. Mediante la comprensión de estos sesgos, podemos modular su comportamiento", dice. "En particular, es sorprendente darse cuenta de lo importante que es la dimensión temporal para las células. El patrón temporal con el que se presenta cualquier estímulo, ya sea concentraciones de sal, fármacos o haces de luz, puede marcar la diferencia totalmente".
La investigación fue financiada principalmente por organismos públicos de EE.UU., China y Europa.
Referencia bibliográfica:
Amir Mitchell, Ping Wei, y Wendell A. Lim: Oscillatory stress stimulation uncovers an Achilles’ heel of the yeast MAPK signaling network. Science Express (2015). DOI: 10.1126/science.aab0892
Amir Mitchell, Ping Wei, y Wendell A. Lim: Oscillatory stress stimulation uncovers an Achilles’ heel of the yeast MAPK signaling network. Science Express (2015). DOI: 10.1126/science.aab0892
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