Componentes celulares utilizan los recursos por turnos en situaciones de escasez

Un grupo de investigadores liderado conjuntamente por el Instituto Tecnológico de California (Caltech), la Universidad de Cambridge y la Universidad Pompeu Fabra, ha descubierto un nuevo sistema por el cual los componentes de las células, como por ejemplo las proteínas, comparten recursos cuando estos son escasos. “El sistema es comparable al de multipropiedad (time-share) utilizado por diferentes familias para disfrutar del mismo apartamento de vacaciones en diferentes periodos del año”, explica el investigador del Departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud (DCEXS) de la UPF Jordi Garcia-Ojalvo, uno de los responsables del estudio.

En las células a menudo algunos componentes tienen que competir activamente cuando solo disponen de una cantidad limitada de un recurso, como puede ser una enzima. Los diferentes componentes podrían compartir la enzima utilizando cada uno una fracción de manera constante. Pero ahora se ha visto que pueden ir utilizando el recurso por turnos, es decir, un componente monopoliza la enzima durante un periodo de tiempo y posteriormente deja paso a otro componente diferente.

En un estudio publicado en el 2017 Garcia-Ojalvo descubrió, en colaboración con colegas de la Universidad de California San Diego, que poblaciones de bacterias denominadas biofilms alternan sus periodos de alimentación para reducir la competencia y evitar colapsos en el consumo cuando la cantidad de nutrientes es limitada. “En aquel momento descubrimos que las poblaciones de células compartían recursos, y ahora mostramos que el fenómeno se produce también dentro de una célula, lo que indica que el time-share es una estrategia general de los sistemas vivos”, explica el catedrático de Biología de Sistemas.

Mediante experimentos utilizando vídeo-microscopía de fluorescencia, los investigadores analizaron el comportamiento de células individuales de la bacteria Bacillus subtilis en condiciones de estrés, en las cuales estos organismos solo disponen de una cantidad de energía limitada. Concretamente estudiaron proteínas llamadas factores sigma, que compiten por la enzima RNA polimerasa, necesaria para leer la información genética de las bacterias. Un modelo matemático reveló que dos de estos factores raramente se encuentran activados a la vez y que algunos están correlacionados negativamente, es decir, cuando se expresa uno no se expresa el otro. Esto indica que los diferentes elementos alternan en el tiempo la utilización de la RNA polimerasa.

Debido a que los componentes moleculares son limitantes en otros muchos sistemas, esta estrategia de tiempo compartido podría representar un sistema de regulación mucho más general. “Los resultados nos ayudan a entender mejor cómo funcionan los organismos vivos, y revelan un conexión inesperada entre la biología, la economía y la ingeniería: métodos que utilizamos los humanos para compartir recursos los inventó la evolución hace centenares de millones de años”, concluye Garcia-Ojalvo.

Artículo de referencia:

Jin Park, Marta Dies, Yihan Lin, Sahand Hormoz, Stephanie E. Smith-Unna, Sofia Quinodoz, María Jesús Hernásndez-Jiménez, Jordi Garcia-Ojalvo, James C.W. Locke and Michael B. Elowitz. Molecular Time Sharing through Dynamic Pulsing in Single Cells. Cell Systems, Febrero 2018.