Imagina un día en que los coches autónomos hagan que conducir sea obsoleto. Ahora, imagina un futuro lejano en el que ni siquiera tengas que subirte al coche. En cambio, al salir por la puerta principal, un coche se forma a tu alrededor, se eleva, te lleva flotando a tu destino y luego se desmonta a la espera de recoger al siguiente pasajero. Algo así ocurre realmente en las células vivas. Según noticias del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL):

Investigadores del EMBL Heidelberg han generado imágenes detalladas de las intrincadas capas proteicas que rodean las vesículas de tráfico, las «cápsulas de transporte» que transportan material dentro de las células biológicas. El estudio, publicado hoy en Science, proporciona una nueva comprensión de las complejas máquinas que conforman la red logística celular.

Las vesículas son responsables del transporte de moléculas entre los diferentes compartimentos dentro de una célula y también de introducir material desde el exterior. Existen varios tipos de vesículas: cada una tiene un tipo específico de capa, compuesta por diferentes proteínas, que se ensambla sobre una membrana que la rodea. [Énfasis añadido].

Los biólogos moleculares conocen tres modelos de «cápsulas de transporte», cada una con sus propias capas proteicas: capa proteica 1 o COPI (Coat complex protein I), capa proteica 2 (COPII) y vesícula recubierta de clatrina (CCV). Cada cubierta tiene sus propias proteínas, adaptadores y funciones. El artículo en Science analiza en detalle la COPI; pero primero, mencionemos la COPII. Este tipo de vesícula transporta proteínas desde el retículo endoplasmático (RE), donde se ensamblan, hasta el aparato de Golgi, donde se empaquetarán para su distribución. Esto se denomina transporte anterógrado (hacia adelante).

La COPI es el proceso inverso; transporta proteínas desde el aparato de Golgi de vuelta al RE o a diferentes compartimentos del Golgi. Esto se denomina transporte retrógrado (hacia atrás). Sorprendentemente, las capas proteicas de estas vesículas son muy diferentes. Las capas COPII están compuestas por cuatro proteínas que se ensamblan con simetría cuádruple de forma secuencial, utilizando proteínas adaptadoras independientes. La COPI es más compleja. Tiene siete proteínas discretas que se unen simultáneamente, formando complejos con simetría triangular que incluyen la función adaptadora (es decir, permitir que el complejo se adhiera a la membrana de la vesícula).

Empujando los límites

Los investigadores del EMBL ampliaron los límites de la microscopía crioelectrónica para determinar la naturaleza de las «tríadas» llamadas coatómeros que conforman la capa. Descubrieron que las siete proteínas forman dos complejos que se superponen en una capa de 14 nanómetros (nm) de espesor, una fracción sustancial de la vesícula típica de 100 nm de diámetro. Un artículo de Perspective en el mismo número de Science afirma que aún queda mucho por aprender sobre estas capas: «Queda por determinar qué roles específicos desempeñan estas conformaciones en las respectivas funciones de la capa», escriben Noble y Stagg. Lo que se sabe es que las tríadas de coatómeros entran en contacto con hasta cuatro tríadas vecinas. Esto les confiere una flexibilidad estructural que las distingue de otros tipos de vesículas recubiertas. Los autores del artículo especulan sobre las razones de esto:

En los modelos existentes para las capas vesiculares de clatrina y COPII, múltiples subunidades idénticas realizan el mismo conjunto de interacciones con el mismo número de vecinas. La flexibilidad estructural permite la formación de vesículas a partir de diferentes números totales de subunidades. Con base en estos principios, se han propuesto modelos similares a la clatrina y a COPII para la capa COPI ensamblada. En cambio, encontramos que el coatómero ensamblado puede adoptar diferentes conformaciones para interactuar con diferentes números de vecinos. Al regular las frecuencias relativas de diferentes patrones de tríadas en la capa COPI durante el ensamblaje —por ejemplo, estabilizando conformaciones particulares del coatómero—, la célula tendría un mecanismo para adaptar el tamaño y la forma de las vesículas a cargas de diferentes tamaños.

El artículo incluye modelos en color y dos animaciones de movimiento de cómo las proteínas encajan entre sí, protegiendo la carga a medida que viaja hacia su destino de orgánulo a orgánulo.

Capas de clatrina

Una capa proteica mejor comprendida está compuesta de clatrina. El nombre proviene de la palabra latina que significa «enrejado». Las moléculas individuales de clatrina, compuestas por tres cadenas pesadas y tres cadenas ligeras, se asemejan a un triskelion. Se acoplan armoniosamente alrededor de la vesícula formando una estructura similar a una jaula que se asemeja a una cúpula geodésica. Una hermosa animación de la Facultad de Medicina de Harvard muestra cómo numerosas otras proteínas trabajan con la clatrina para formar la capa de la vesícula y desmantelarla después de su uso, de modo que la triskelia pueda reciclarse. Las vesículas pueden importar y exportar moléculas al exterior de la célula o transportarlas dentro del citoplasma. Las proteínas de clatrina también participan en la división celular, donde ayudan a organizar los cromosomas en el huso.

Necesita una actualización

Sin embargo, la animación requerirá una actualización, ya que se informó algo nuevo sobre las vesículas recubiertas de clatrina (CCV) y las fosas (CCP) que se forman cuando la membrana se invagina para transportar carga del exterior. Otro equipo del EMBL, también en un artículo publicado en Science, descubrió que la clatrina es más gimnástica de lo que se creía previamente.

A diferencia de lo que se muestra en la animación, la red de clatrina se forma plana sobre la superficie interna de la membrana antes de que comience la invaginación. Luego, a medida que la membrana se pliega hacia adentro, la red se estira y se reconfigura, manteniendo la misma superficie, pero siguiendo la forma de la vesícula a medida que se alarga. Con la carga a salvo en su interior, la vesícula se desprende y forma una esfera. El EMBL expresa su sorpresa por los cambios de forma:

John Briggs, científico senior del EMBL Heidelberg, dijo: «Nuestros resultados fueron sorprendentes, porque las proteínas tienen que sufrir algunas transformaciones geométricas complicadas para pasar de una forma plana a una curva, razón por la cual el segundo modelo fue el favorito de los científicos durante tanto tiempo».

(El “segundo modelo”, ahora refutado, se refiere a la idea de que “la clatrina se ensambla directamente, asumiendo la forma de la membrana a medida que es arrastrada hacia adentro”). El artículo describe cómo la jaula en crecimiento debe cambiar su estructura geodésica a medida que se forma la vesícula:

Para doblarse, las redes planas compuestas principalmente de hexágonos deben adquirir pentágonos, lo que requiere amplios reordenamientos moleculares y la eliminación de triskelias.

¿Por qué la célula realizaría esta rutina gimnástica más difícil? El último párrafo ofrece algunas posibles razones:

El reclutamiento de clatrina antes de la flexión de la membrana proporciona una matriz plana y dinámica como plataforma para el reclutamiento de carga. Esto implica que la membrana que se internalizará y el tamaño de la futura vesícula no están determinados por la geometría de la clatrina durante el ensamblaje en una jaula curva, sino que se seleccionan antes de la invaginación durante el reclutamiento de carga. El intercambio rápido de clatrina es consistente con una red dinámicamente inestable; la inestabilidad dinámica es una propiedad común en las redes de interacciones proteicas de baja afinidad. Permitiría la interrupción aleatoria de sitios que inician, pero no logran cruzar un punto de control mediado por el crecimiento o la carga antes de invertir energía en la flexión de la membrana. Durante la invaginación, un mayor intercambio permitiría la reorganización de la clatrina y la flexión de la red en una jaula definida que requiere un desensamblaje activo.

Algo que no se menciona en los artículos es la rapidez de formación y desmontaje de vesículas. Basta decir que la endocitosis y la exocitosis recubiertas de clatrina ocurren en las puntas de las neuronas, donde las señales eléctricas deben cruzar las sinapsis. Las vesículas se forman en un nervio, cruzan la sinapsis que transporta la carga y son absorbidas por la siguiente neurona. ¿Cuánto tarda el cerebro en sentir dolor por un golpe en el dedo del pie? ¡Muchas vesículas de CCV se formaron, cruzaron las sinapsis y se desarmaron en esa rapidísima respuesta!

¿Evolución o diseño?

Como es habitual, los artículos y trabajos académicos dicen muy poco sobre la evolución. Si acaso se menciona, se refiere a la ausencia de evolución: por ejemplo, «Las cubiertas proteicas arquetípicas COPI, COPII y clatrina se conservan desde la levadura hasta el ser humano». Solo el artículo de Perspective de Noble y Stagg va más allá:

Las proteínas individuales de los tres complejos proteicos de la cubierta comparten plegamientos similares y se propone que sean parientes evolutivos lejanos. A pesar de estas similitudes, las cubiertas han desarrollado mecanismos funcionales diferentes…

Una posibilidad es que la cubierta proto-COPI desarrollara los cuatro enlaces diferentes para ampliar el repertorio de geometrías que la cubierta puede acomodar y, por lo tanto, adaptarse a las necesidades secretoras de la célula.

Estas sugerencias son poco más que afirmaciones a posteriori de la creencia evolutiva. No se puede invocar un proceso ciego y sin guía para afirmar que «evolucionó para» satisfacer las necesidades de la célula. La selección natural darwiniana no tiene previsión.

La complejidad de estas capas y de las proteínas accesorias que las construyen, las unen a las vesículas y las desmontan, desafía las explicaciones evolutivas sin previsión. Presentan una complejidad irreducible; no funcionan a menos que todas las partes proteicas estén presentes simultáneamente. Exhiben belleza en la forma en que se organizan en formas geométricas. Las formas, a su vez, están dictadas por códigos digitales en el genoma que producen secuencias que se pliegan en bloques de construcción. Estos bloques de construcción, como el triskelion de la clatrina, desconocen las elegantes cúpulas geodésicas en las que se encajarán. Los triskelion también ignoran sus puntos de unión, que serán utilizados por otras dos proteínas que desmontarán la vesícula.

Solo vemos destellos de estructuras que aún no comprendemos del todo. ¿Por qué se necesitan capas separadas para los tres tipos de transporte? ¿Qué tipos de vesículas necesitan las diferentes capas? ¿Qué ventajas específicas ofrecen las diferentes capas para el transporte en una dirección y no en la otra? ¿Qué moléculas necesitan vesículas recubiertas en comparación con las no recubiertas? ¿Qué función cumple cada proteína de la capa?

Investigaciones futuras con mayor resolución sin duda aportarán más conocimiento sobre el transporte vesicular. Una cosa está clara hasta ahora: la elegancia de estos sistemas, su capacidad para modificar su geometría a medida que crecen, su adaptabilidad a cargas de diversos tamaños, su rapidez de acción y su conservación desde la levadura hasta los humanos, proclaman la idea de un «diseño inteligente».

Artículo publicado originalmente en inglés por David Coppedge en Evolution News & Science Today