Publicado: 
19 de junio de 2002

Extraños Esqueletos

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Extraños Esqueletos 

En lo profundo de nuestras células, esqueletos flexibles perciben los efectos de la gravedad... y responden de maneras inesperadas.

NASA
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Junio 19, 2002: La obra "Torre de Agujas" del escultor Kenneth Snelson parece frágil. Varillas entrecruzadas suspendidas por tensos alambres, se alzan peligrosamente hasta una altura de 20 metros. Parecería que la estructura se va a derrumbar o caer de costado. Sin embargo esto no sucede. Cuando sopla el viento, la Torre de Agujas se dobla, pero no se rompe. Cuando alguien le da un empujón, regresa a su sitio. La torre es liviana, resistente y de una sutil hermosura.

Igual que los esqueletos de las células.

Arriba: La Torre de Agujas -- una escultura de 1969 con base en los principios de la tensegridad -- del artista Kenneth Snelson -- vista desde abajo. [más información]

En efecto, las células tienen esqueletos. No están hechos de calcio como los huesos que suenan en Halloween. Los esqueletos celulares -- llamados citoesqueletos por los biólogos -- están constituidos por moléculas de proteínas organizadas en cadena. Los citoesqueletos dan la forma a las células, las ayudan a mover, y mantienen al núcleo en su lugar.

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Como la escultura de Snelson, los citoesqueletos poseen tensegridad (palabra derivada de la abreviatura del inglés tensional integrity, o integridad tensional). Equilibran la compresión con tensión, y ceden a fuerzas sin romperse. En la Torre de Agujas, los cables resisten la tensión y las varillas soportan la compresión. En el citoesqueleto, las cadenas de proteínas -- finas, gruesas o huecas -- cumplen el rol de los cables y las varillas. Todas [las proteínas] conectadas forman una estructura estable, pero flexible.

NASA está interesada en los citoesqueletos porque estos responden a la gravedad. El peso puede originar tanto tensión como compresión. ¿Pero qué es lo que sucede (durante un viaje espacial, por ejemplo) cuando el peso desaparece? ¿Se comportan las células de manera diferente cuando sus citoesqueletos se relajan?

Don Ingber, biólogo celular de Harvard, es un pionero entre los científicos que han estudiado este tema.

Abajo: Citoesqueletos de células endoteliales humanas brillan en color verde en esta micrografía inmunofluorescente. Los filamentos convergen en una estructura triangular que se asemeja a un domo geodésico -- un ejemplo de tensegridad. [más información]

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"El citoesqueleto percibe la gravedad -- o cualquier tipo de fuerza -- a través de proteínas especiales llamadas integrinas, las cuales se proyectan a través de la superficie de la membrana celular", explica Ingber. Dentro de la célula, las integrinas están conectadas al citoesqueleto. Por fuera, están unidas a un armazón conocido como matriz extracelular -- una estructura fibrosa a la cual se conectan las células de nuestro cuerpo.

Ingber y sus colegas han demostrando que cuando las integrinas se mueven, el citoesqueleto se endurece. Esto fue logrado mediante el revestimiento de pequeñas cuentas magnéticas, de una tamaño aproximado de 1 a 10 micrones, con  moléculas especiales que se unen a las integrinas. Las pequeñas esferas magnéticas fueron adosadas a las integrinas y luego se aplicó un campo magnético.

"Las cuentas giraron y trataron de alinearse con el campo, de la misma manera que la aguja de un compás lo haría con el campo magnético de la Tierra", explica Ingber. Las cuentas torcieron las integrinas y, como consecuencia, modificaron la estructura del citoesqueleto. A medida que se aplicaba más estrés, el citoesqueleto se volvía más y más duro. ¡De hecho, tan duro que las cuentas no pudieron ser rotadas más que unos pocos grados!

Darle un estirón a las integrinas no sólo provocó el endurecimiento del citoesqueleto, sino que también activo algunos genes. "Activar un gen" significa persuadir a un gen para  producir ARN (Acido Ribonucleico) y proteínas. Esto es importante porque las últimas son las encargadas de llevar a cabo la mayoría de las funciones celulares. En apariencia, estirando el citoesqueleto puede hacer que las células cambien de un programa genético a otro.

Antes del experimento con las cuentas magnéticas, el grupo de Ingber en Harvard ya había descubierto una relación entre la geometría de la célula y su comportamiento. En un experimento, células vivas fueron forzadas a tomar diferentes formas -- esférica o aplanada, cuadrada o redonda -- al ser colocadas sobre pequeñas islas pegajosas de matriz extracelular. Las células chatas y elongadas tendían a dividirse. Las células redondas y apretujadas tendían a morir.

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Derecha: El citoesqueleto da a los glóbulos rojos su característica forma aplanada. [más información]

Ingber dice: "La reestructuración mecánica de la célula y el citoesqueleto aparentemente le dice a la célula qué es lo que tiene que hacer".

Células muy aplanadas con citoesqueletos tensos perciben de alguna manera que se necesitan más células -- para cubrir una herida, por ejemplo. Células más redondeadas y apretujadas, detectan un problema de superpoblación y deciden que es tiempo de morir y dar lugar a otras. En ambos casos, las células están respondiendo a un sistema de control en el cual el citoesqueleto, modificando su forma o estructura, señala cambios en las funciones celulares.

Las implicaciones potenciales de esta investigación son enormes -- y no sólo se limitan a los viajes espaciales. Esta investigación ya ha conducido al desarrollo de un posible tratamiento para el cáncer basado en el cambio de la forma celular.Y también podría ofrecer nuevos tratamientos para la osteoporosis, enfermedades cardíacas, problemas pulmonares y anormalidades en el desarrollo. Cada tejido del cuerpo, dice Ingber, puede desarrollar una enfermedad como consecuencia de una respuesta anormal de las células a fuerzas mecánicas externas.

"Tratando de entender como las células perciben la gravedad, descubrimos aspectos totalmente nuevos de las funciones celulares".

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Izquierda: Donald Ingber de la Escuela de Medicina de Harvard (Harvard Medical School).

Ingber cree que la tensegridad es un principio fundamental de organización de todo el mundo físico. Estructuras con estabilidad propia se forman espontáneamente a diferentes escalas -- los citoesqueletos son sólo un ejemplo. Otro serían las moléculas esféricas de carbono llamadas "Bolas de Bucky" (o "BuckyBalls" en inglés) que se asemejan a pelotas de fútbol atómicas. Las moléculas de arcilla también se organizan en patrones de tensegridad que algunos científicos piensan sirvieron de soporte para las primeras formas de vida microscópica sobre la Tierra. Aun el mismo universo, con sus agujeros negros (compresión) y galaxias enlazadas por fuerzas gravitacionales (tensión), puede ser una estructura que sigue los principios de la tensegridad.

"En alguna ocasión di una charla en NASA sobre la evolución biológica", recuerda. "La última diapositiva de mi presentación fue una foto del universo: inmensas agrupaciones de galaxias. Al lado, había una foto de una célula capilar sobre un recipiente, formando una red de conexiones. Las dos imágenes eran idénticas".

Más Información La Oficina de Investigaciones Físicas y Biológicas de NASA -- patrocina estudios básicos de biología para el beneficio de los seres humanos en el espacio y en la Tierra.

Cursillo sobre el Citoesqueleto -- (Universidad de Arizona -- University of Arizona) El citoesqueleto es a la vez un músculo y un esqueleto, y es el responsable del movimiento celular, citocinesis y la organización de las organelas dentro de las células.

Donald E. Ingber -- su Portal de Internet desde la Escuela de Medicina de Harvard.

Compresión y tensión son buenas, pero el torque es malsano -- arme sus propias estructuras siguiendo los principios de tensegridad utilizando lapiceras y bandas de goma.

Los comienzos de la cito-tensegridad: Un día a mediados de los setenta cuando Ingber era un estudiante de Universidad en Yale, armó un modelo de una célula utilizando varillas de madera y elásticos. Era poco convencional -- la mayoría de los científicos pensaban que las células eran globos llenos de fluidos. Sin embargo, esto no disuadió al joven científico de seguir experimentando con su modelo de varillas. Ingber estaba interesado en la escultura y la biología celular -- y su modelo combinó ambas disciplinas. Él creía que los citoesqueletos, como las esculturas de Kenneth Snelson, poseían tensegridad. Y tenía razón. De hecho, su simple modelo reproducía algunos de los extraños comportamientos de las células que habían sido un misterio por largo tiempo. Usted puede aprender más leyendo el artículo "La Arquitectura de la Vida (The Architecture of Life") por  Donald Ingber, Scientific American, Enero (January) 1998, p48.


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