Investigadores de EE UU han desarrollado un modelo cinético, tridimensional y totalmente dinámico que imita lo que ocurre en una célula real. Los resultados ofrecen una visión de los principios fundamentales de la vida.
Un equipo científico liderado por la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (EE UU) ha construido una minicélula viva con un genoma reducido a lo más esencial, y un modelo informático de la célula que refleja su comportamiento.
Los autores de este trabajo, que se publica esta semana la revista Cell, señalan que están desarrollando un sistema para predecir cómo los cambios en los genomas, las condiciones de vida o las características físicas de las células vivas alteran su funcionamiento.
“Las células mínimas tienen genomas reducidos que llevan los genes necesarios para replicar su ADN, crecer, dividirse y realizar la mayoría de las demás funciones que definen la vida”, señala Zaida (Zan) Luthey-Schulten, profesora de química de la universidad estadounidense, que ha dirigido el trabajo con el estudiante de posgrado Zane Thornburg.
La novedad es que hemos desarrollado un modelo cinético tridimensional y totalmente dinámico de una célula mínima viva que imita lo que ocurre en la célula real
“La novedad es que hemos desarrollado un modelo cinético tridimensional y totalmente dinámico de una célula mínima viva que imita lo que ocurre en la célula real”, agrega Luthey-Schulten.
La simulación desarrollada mapea la ubicación precisa y las características químicas de miles de componentes celulares en 3D a escala atómica. Se puede saber cuánto tiempo tardan estas moléculas en difundirse por la célula y encontrarse entre sí, qué tipo de reacciones químicas se producen cuando lo hacen y cuánta energía se necesita para cada paso, explica la universidad en un comunicado.
Para construir la minicélula, investigadores del Instituto J. Craig Venter (JCVI) de La Jolla (California) recurrieron a las células vivas más simples: los micoplasmas, un género de bacterias que parasitan a otros organismos.
En estudios anteriores, los científicos del JCVI construyeron un genoma sintético al que le faltaban tantos genes no esenciales como fuera posible y cultivaron la célula en un entorno enriquecido con todos los nutrientes y factores necesarios para su mantenimiento.
En el nuevo trabajo el equipo volvió a añadir algunos genes para mejorar la viabilidad de la célula. Esta es más simple que cualquier célula natural, por lo que es más fácil de modelar en un ordenador.
Según Luthey-Schulten, “la simulación de algo tan complejo como una célula viva se basa en datos procedentes de décadas de investigación”.
Para construir el modelo computacional, ella y sus colegas necesitaron tener en cuenta las características físicas y químicas del ADN de la célula, los lípidos, los aminoácidos y la maquinaria de transcripción de genes, de traslación y de construcción de proteínas.
También tuvieron que modelar la forma en que cada componente se propaga a través de la célula, llevando la cuenta de la energía necesaria para cada paso del ciclo vital celular. Se utilizaron unidades de procesamiento gráfico NVIDIA para realizar las simulaciones.
“Construimos un modelo informático basado en lo que sabíamos sobre la célula mínima, y luego hicimos simulaciones”, explica Thornburg, “y también comprobamos si nuestra célula simulada se comportaba como la real”.
Las simulaciones permitieron a los investigadores comprender cómo la célula real “equilibra las demandas de su metabolismo, los procesos genéticos y el crecimiento”, apunta Luthey-Schulten.
Por ejemplo, el modelo reveló que la célula utilizaba la mayor parte de su energía para importar iones y moléculas esenciales a través de su membrana celular. “Esto tiene sentido”, afirma la investigadora, “porque los micoplasmas obtienen la mayor parte de lo que necesitan para sobrevivir de otros organismos”.
Estas simulaciones también permitieron a Thornburg calcular la vida útil natural de los ARN mensajeros, los planos genéticos para construir proteínas. También revelaron una relación entre el ritmo de síntesis de lípidos y proteínas de membrana y los cambios en la superficie de esta y el volumen celular.
Simulamos todas las reacciones químicas dentro de la minicélula, desde su nacimiento hasta que se divide dos horas después. A partir de esto, logramos un modelo que nos dice cómo se comporta y cómo podemos hacerla más compleja para cambiar su comportamiento
“Simulamos todas las reacciones químicas dentro de la minicélula, desde su nacimiento hasta el momento en que se divide dos horas después”, detalla Thornburg, “y a partir de ahí, logramos un modelo que nos dice cómo actúa y cómo podemos hacerla más compleja para cambiar su comportamiento”.
Luthey-Schulten insiste en que su equipo ha desarrollado “un modelo cinético 3D y totalmente dinámico de una célula mínima viva, lo que abre una ventana al funcionamiento interno de la célula, mostrándonos cómo todos los componentes interactúan y cambian en respuesta a señales internas y externas”.
“Este modelo —y otros más sofisticados que vendrán— nos ayudará a comprender mejor los principios fundamentales de la vida”, concluye la investigadora.
Referencia:
Z. Luthey-Schulten, Z. Thornburg et al. “Fundamental behaviors emerge from simulations of a living minimal cell”. Cell (enero 2022).
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