Imagine un día en el que los automóviles autónomos hagan que conducir sea obsoleto. Ahora, imagine un día en el futuro lejano en el que ni siquiera tenga que subirse al automóvil. En cambio, cuando sale por la puerta principal, un automóvil se reúne a su alrededor, se eleva del suelo, lo lleva flotando a su destino y luego se desarma antes de recoger al próximo pasajero. Algo como esto realmente sucede en las células vivas. Según noticias del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (LEBM):
Los investigadores del LEBM Heidelberg han producido imágenes detalladas de las intrincadas capas de proteínas que rodean las vesículas de tráfico, las «cápsulas de transporte» que mueven el material dentro de las células biológicas. El estudio, publicado hoy en la revista Science, proporciona una nueva comprensión de las máquinas complejas que componen la red logística de las células.
Las vesículas son responsables de transportar moléculas entre los diferentes compartimentos dentro de una célula y también de llevar material desde el exterior a las células. Hay varios tipos de vesículas: cada una tiene un tipo específico de cubierta que se compone de diferentes proteínas y se ensambla en una membrana que rodea la vesícula. [Énfasis añadido.]
Hay tres modelos de «cápsulas de transporte» que conocen los biólogos moleculares, cada uno con sus propias proteínas de cubierta específicas: proteína de cubierta 1 (COPI), proteína de cubierta 2 (COPII) y vesícula recubierta de clatrina (CCV). Cada capa tiene sus propias proteínas, adaptadores y funciones. El artículo en Science analiza en detalle COPI; pero primero, mencionemos a COPII. Este tipo de vesícula lleva las proteínas del retículo endoplásmico (RE), donde se ensamblaron, al aparato de Golgi, donde se empaquetarán para su envío. Esto se llama transporte anterógrado (hacia adelante).
COPI es al revés; lleva las proteínas del Golgi de vuelta al RE, o a diferentes compartimentos del Golgi. Esto se llama transporte retrógrado (hacia atrás). Sorprendentemente, las proteínas de la cubierta de estas vesículas son muy diferentes. Las cubiertas de COPII están formadas por cuatro proteínas que se ensamblan con simetría cuádruple de manera secuencial, utilizando proteínas adaptadoras separadas. COPI es más complicado. Tiene siete proteínas discretas que se unen simultáneamente, formando complejos con simetría triangular que incluyen la función de adaptador (es decir, permitiendo que el complejo se adhiera a la membrana de la vesícula).
Empujando el sobre
Los investigadores del EMBL ampliaron los límites de la microscopía crioelectrónica para determinar la naturaleza de las «tríadas» llamadas coatómeros que forman 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 la misma edición de Science dice que todavía hay mucho que aprender sobre estos abrigos: «queda por determinar qué roles específicos juegan estas conformaciones en las respectivas funciones del abrigo», escriben Noble y Stagg. Lo que sí se sabe es que las tríadas del coatómero entran en contacto con hasta cuatro tríadas vecinas. Esto les da una flexibilidad estructural que es distinta de los otros tipos de vesículas recubiertas. Los autores del artículo especulan sobre las razones de esto:
En los modelos existentes para las capas de vesículas de clatrina y COPII, varias subunidades idénticas realizan cada una el mismo conjunto de interacciones con el mismo número de vecinos. La flexibilidad estructural permite la formación de vesículas a partir de diferentes números totales de subunidades. Sobre la base de estos principios, se han propuesto modelos similares a clatrina y similares a COPII para la capa de 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 tríada en la cubierta COPI durante el ensamblaje, por ejemplo, al estabilizar conformaciones particulares del recubrimiento, la celda tendría un mecanismo para adaptar el tamaño y la forma de las vesículas a cargas de diferentes tamaños.
El documento incluye modelos en color y dos animaciones de movimiento de cómo las proteínas encajan entre sí, protegiendo la carga mientras viaja hacia su destino de orgánulo en orgánulo.
Abrigos de clatrina
Una capa de proteína mejor entendida está hecha de clatrina. El nombre proviene de una palabra latina para enrejado. Las moléculas de clatrina individuales, formadas por tres cadenas pesadas y tres cadenas ligeras, parecen un molinete de tres radios llamado triskelion. Encajan maravillosamente alrededor de la vesícula en una estructura similar a una jaula que se asemeja a una cúpula geodésica. Una hermosa animación de la Escuela de Medicina de Harvard muestra cómo muchas otras proteínas trabajan con la clatrina para formar la cubierta de vesículas y desarmarla después de su uso, para que la triskelia pueda reciclarse. Las vesículas pueden importar y exportar moléculas al exterior de la célula o transportarlas dentro del citoplasma. Las proteínas clatrina también están implicadas en la división celular, donde ayudan a organizar los cromosomas en el huso.
En necesidad de actualización
Sin embargo, la animación requerirá una actualización porque se informó algo nuevo sobre las vesículas recubiertas de clatrina (CCV) y los hoyos (CCP) que se forman cuando la membrana se invagina para traer carga desde el exterior. Otro equipo del LEBM, que también informó en Science, descubrió que la clatrina es más gimnástica de lo que se reconocía anteriormente.
A diferencia de lo que se muestra en la animación, la red de clatrina se forma plana en la superficie de la membrana interna 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 su carga segura dentro, la vesícula se pellizca y forma una esfera. La noticia de LEBM expresa sorpresa por los cambios de forma:
John Briggs, científico principal del LEBM 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 los científicos favorecieron el segundo modelo durante tanto tiempo».
(El «segundo modelo», ahora falsado, se refiere a la idea de que «la clatrina se ensambla directamente, asumiendo la forma de la membrana a medida que se atrae 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 que requieren extensos reordenamientos moleculares y la eliminación de trisquel.
¿Por qué la célula realizaría esta rutina gimnástica más difícil? El párrafo final 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 la carga. El intercambio rápido de clatrina es consistente con una red dinámicamente inestable: la inestabilidad dinámica es una propiedad común dentro de las redes de interacciones de proteínas de baja afinidad. Permitiría el aborto estocástico de los 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 desmontaje activo.
Una cosa que no se menciona en los artículos es la rapidez de formación y desmontaje de vesículas. Baste decir que la endocitosis y la exocitosis recubiertas de clatrina ocurren en las puntas de las células nerviosas, 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 célula nerviosa en la línea. ¿Cuánto tiempo le toma a su cerebro sentir dolor por un dedo del pie golpeado? ¡Se formaron muchos CCV, cruzaron sinapsis y se desarmaron en esa respuesta tan rápida!
Evolución o diseño
Como de costumbre, los artículos y documentos dicen muy poco sobre la evolución. Si se mencionó en absoluto, se trataba de la falta de evolución: por ejemplo, «Las cubiertas de proteínas arquetípicas COPI, COPII y clatrina se conservan desde la levadura hasta el ser humano». Solo el artículo Perspective de Noble y Stagg se aventura más allá:
Las proteínas individuales en los tres complejos de proteínas de cubierta diferentes comparten pliegues similares y se propone que son parientes evolutivos lejanos. A pesar de estas similitudes, los abrigos han desarrollado diferentes mecanismos funcionales….
Una posibilidad es que la cubierta proto-COPI haya desarrollado los cuatro enlaces diferentes para expandir el repertorio de geometrías que la cubierta puede acomodar y así adaptarse a las necesidades secretoras de la célula.
Estas sugerencias equivalen a poco más que afirmaciones posteriores a los hechos de la creencia evolutiva. No se puede invocar un proceso ciego y sin dirección para decir que “evolucionó para” satisfacer las necesidades de la célula. La selección natural darwiniana no tiene previsión.
La complejidad de estas cubiertas y las proteínas accesorias que las construyen, las unen a las vesículas y las desarman, desafían las explicaciones evolutivas aleatorias. Exhiben una complejidad irreductible; no funcionan a menos que todas las partes de la proteína 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 clatrina, no tienen conocimiento de las elegantes cúpulas geodésicas en las que se instalarán. Los trisqueles también están ciegos a sus puntos de unión que serán utilizados por otras dos proteínas que desarmarán la vesícula.
Solo vemos vislumbres de estructuras que aún no entendemos completamente. ¿Por qué se necesitan abrigos separados para los tres tipos de transporte? ¿Qué tipos de vesículas necesitan las diferentes capas? ¿Qué ventajas específicas aportan los diferentes abrigos para el transporte en un sentido y no en el otro? ¿Qué moléculas necesitan vesículas recubiertas en lugar de vesículas no recubiertas? ¿Qué función cumple cada proteína de la cubierta?
La investigación adicional a mayor resolución sin duda producirá más conocimiento sobre el transporte vesicular. Una cosa está clara hasta ahora; la elegancia de estos sistemas, su capacidad para remodelar su geometría a medida que crecen, su adaptabilidad a cargas de muchos tamaños, la rapidez de su acción y su conservación desde la levadura hasta los humanos proclaman: «¡Diseño inteligente!»
Artículo publicado en inglés por David Coppedge en Evolution News & Science Today