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Controlar los esqueletos de células que cambian de forma

Sabes que tienes un esqueleto, pero ¿sabías que tus células también tienen esqueletos? Los esqueletos celulares, o citoesqueletos, son redes de filamentos de proteínas que cambian de forma y permiten a las células propulsarse, transportar carga y dividirse. Ahora, un equipo interdisciplinario de investigadores de Caltech ha diseñado una forma de estudiar y manipular el citoesqueleto en tubos de ensayo en el laboratorio. Comprender cómo las células controlan el movimiento podría algún día conducir a pequeños robots bioinspirados para aplicaciones terapéuticas. El trabajo también contribuye al desarrollo de nuevas herramientas para manipular fluidos a escalas muy pequeñas relevantes para la biología molecular y la química.

El trabajo se describe en un artículo que aparece en la edición del 8 de agosto de la revista Nature.

Los componentes básicos del citoesqueleto celular son filamentos delgados, en forma de tubo, llamados microtúbulos que pueden formarse juntos en andamios tridimensionales. Cada microtúbulo es 1,000 veces más delgado que un cabello humano y solo tiene aproximadamente 10 micrómetros de largo (aproximadamente 1,000 veces más pequeño que una hormiga negra común). Junto con las proteínas motoras que impulsan el movimiento, estas estructuras increíblemente pequeñas se combinan para impulsar la célula relativamente grande, como las hormigas que dirigen y alimentan un automóvil.

En estudios anteriores, los investigadores sacaron estas moléculas de la célula y las colocaron en tubos de ensayo, donde los túbulos y las proteínas motoras se agrupan espontáneamente para organizarse en estructuras en forma de estrella llamadas asteres. Sin embargo, todavía no está claro cómo se relacionan los asteres en un tubo de ensayo con un citoesqueleto que impulsa el movimiento celular. Además, la organización colectiva de microtúbulos demostrada por la formación de aster implica fuerzas de interacción que no se entienden completamente.

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Una mirada tridimensional a un aster, una estructura compuesta de pequeños filamentos de proteínas que han sido diseñados para ser controlados con luz. (Crédito: Caltech)

"Lo que queríamos saber era: ¿cómo se pasa de estas estructuras de aster que se forman espontáneamente en el laboratorio, a una célula que controla su movimiento? Y, ¿cómo podemos controlar estas moléculas de la misma manera que lo hace una célula?" dice el estudiante graduado Tyler Ross, primer autor del estudio.

Dirigido por Ross, un equipo de investigadores de Caltech exploró cómo manipular los filamentos componentes y las proteínas motoras fuera del entorno natural de la célula. En los tubos de ensayo, unían las proteínas motoras con las proteínas activadas por la luz que se encuentran naturalmente en las plantas, de modo que los túbulos solo se organizarían en asteres cuando la luz brillara sobre ellos. De esta manera, los investigadores podían controlar cuándo y dónde se formarían los asteres al proyectar diferentes patrones de luz, lo que les permitiría desarrollar teorías sobre los mecanismos físicos que subyacen a la formación de aster.

El control de los asteres no solo permitió el estudio de su formación, sino que también permitió al equipo construir cosas fuera de las estructuras. Ross desarrolló procedimientos simples de patrones de luz para colocar, mover y fusionar asteres de varios tamaños. La técnica ofrece una forma de manipular estructuras y estudiar la dinámica de fluidos en una escala de longitud minúscula que generalmente es difícil de trabajar; los fluidos exhiben comportamientos difíciles a volúmenes tan pequeños.

"En general, es realmente difícil manipular fluidos y estructuras en esta escala de longitud. Pero esta es la escala que más nos interesa para estudiar las células y la química; toda la biología molecular funciona en esta escala", dice Ross. "Nuestro sistema basado en luz nos permite manipular dinámicamente nuestro sistema. Podríamos mirar a través de un microscopio y decir: 'Ok, tenemos suficiente por aquí, comencemos a enrutar las cosas por allá' y cambiar el patrón de luz en consecuencia. Podríamos usar aster estructuras de tal manera que puedan remover y mezclar soluciones a escalas muy pequeñas ".

La investigación es una colaboración entre los laboratorios de Matt Thomson, profesor asistente de biología computacional e investigador del Instituto de Investigación Médica de Heritage, y Rob Phillips, Fred y Nancy Morris, profesor de biofísica, biología y física. Esta colaboración, señala Thomson, permitió avances decisivos en el proyecto, que Ross había comenzado en el laboratorio de Thomson en UC San Francisco (UCSF) antes de que los dos llegaran a Caltech en 2017. En Caltech, la pareja se asoció con Heun Jin Lee, un miembro del personal. Científico con amplia experiencia en óptica, para desarrollar un microscopio especializado con el que puedan ver la formación de aster y dirigir patrones precisos de luz.

"Esta ha sido una de las grandes colaboraciones que he visto en mi carrera", dice Thomson. "Esta historia realmente le habla a la comunidad, cómo puedes trabajar en diferentes campos y la gente la apoyará y la cultivará. Recibimos comentarios de personas que trabajan en nanotecnología de ADN y personas que trabajan en ingeniería química y dinámica de fluidos". (Fuente: Instituto de Tecnología de California)

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