Para una célula, las membranas compartimentan la vida. La membrana celular, que envuelve a toda la célula, separa físicamente el interior de la célula del espacio extracelular. Pero no es solo una partición: la membrana celular media el transporte de iones que regulan el disparo neuronal, proporciona un sitio de acoplamiento para las moléculas de señalización que permiten a las células comunicarse entre sí y contiene moléculas que permiten al sistema inmunitario identificar a una célula como «yo» en lugar de «no yo».»Dentro del complejo interior de la célula, los compartimentos unidos a la membrana llevan a cabo procesos bioquímicos críticos, como el procesamiento de proteínas y la producción de energía.
A pesar de su importancia, todavía hay mucho que aprender sobre las membranas. Debido a que los lípidos y las proteínas que forman las membranas se mueven constantemente, se desplazan y se reorganizan para satisfacer las necesidades de la célula, estudiar las membranas es extremadamente difícil. Este dinamismo obstaculiza a los científicos porque las técnicas experimentales tradicionales, como la cristalografía, no funcionan bien con una membrana fluida, explica el profesor de Física Mathias Lösche.
«Las membranas están intrínsecamente desordenadas. Si quieres estudiar algo usando cristalografía, necesitas cristalizarlo para estudiarlo con rayos X. Así que necesitas una estructura ordenada que se repita una y otra vez. Eso es algo que no se puede hacer con las membranas, por lo tanto, es necesario idear nuevas técnicas de caracterización y nuevos enfoques, tanto en física y biología experimental como teórica, para estudiar estos temas.»
Los científicos de MCS han inventado y están utilizando un conjunto de herramientas para obtener un conocimiento más profundo de las propiedades moleculares de las membranas. Este trabajo tiene implicaciones importantes para comprender el comportamiento normal de las células y lo que sale mal en enfermedades como el VIH, la enfermedad de Alzheimer y las fallas en el procesamiento de proteínas que conducen al cáncer y los trastornos neurológicos.
Pasar a hurtadillas por el Centinela Celular
La membrana externa de la célula actúa como una puerta, evitando que los intrusos invadan la célula. Pero los virus, como el VIH, logran colarse a través de la barrera protectora de la célula. Stephanie Tristram-Nagle, profesora asociada de investigación en física biológica, y su colaborador John Nagle, profesor de física y ciencias biológicas, recientemente hicieron un importante descubrimiento que ayuda a comprender por qué el VIH puede acceder a las células inmunitarias con tanta facilidad aparente.
Los científicos saben desde hace más de 20 años que el VIH se fusiona con las células inmunitarias a través de gp41, una proteína ubicada en la superficie del virus. Aunque los científicos tienen imágenes de rayos X de gp41 antes y después de que se fusiona con la membrana celular, comprender con precisión lo que sucede durante la fusión era un misterio, hasta ahora.
Tristram-Nagle y Nagle prepararon pilas de miles de bicapas lipídicas totalmente hidratadas utilizando un novedoso método desarrollado en su laboratorio. Los lípidos en la parte inferior de la pila están unidos a un soporte sólido, dando a la membrana del modelo la estabilidad necesaria para ser estudiada experimentalmente, mientras que las bicapas lipídicas en la parte superior de la pila conservan su fluidez natural, un requisito clave para cualquier sistema modelo biológicamente relevante. Tristram-Nagle sembró las membranas artificiales con el péptido de fusión del VIH 23 (FP-23), un corto tramo de gp41 conocido por desempeñar un papel clave en la fusión viral. Utilizando la técnica de dispersión difusa de rayos X, Tristram-Nagle y Nagle cuantificaron las propiedades estructurales de las bicapas lipídicas en presencia de FP-23. Después de analizar los datos de rayos X difusos, descubrieron que el FP-23 disminuye drásticamente la energía necesaria para doblar la membrana, lo que facilita mucho que el virus se fusione e infecte las células inmunitarias.
«En las células, las membranas se doblan todo el tiempo, lo que requiere energía», dijo Tristram-Nagle. «Descubrimos que la energía necesaria para doblar la membrana disminuye considerablemente, hasta 13 veces, cuando agregamos FP-23. Esto debería ayudar a explicar, en parte, cómo se produce la infección por el VIH con tanta facilidad.»
Un nuevo giro en un Debate centenario
En su papel de guardián, la membrana celular regula el tráfico molecular dentro y fuera de la célula a través de proteínas de membrana especializadas. Los canales iónicos, proteínas que abarcan la membrana celular, son un ejemplo destacado. Al regular los iones que entran y salen de la célula, los canales iónicos son un componente vital en la iniciación y propagación de impulsos eléctricos en las células nerviosas. Una disfunción en el canal iónico en sí o en la membrana en la que reside puede resultar en una variedad de trastornos neurológicos, incluida la enfermedad de Alzheimer.
En el cerebro de las personas que padecen la enfermedad de Alzheimer hay placas insolubles que contienen péptidos mal plegados llamados beta amiloide (Aß). Las placas de Aß se acumulan entre las células nerviosas y han estado implicadas en la enfermedad desde que Alois Alzheimer las descubrió por primera vez hace 100 años. En los últimos años, los científicos han especulado que los oligómeros de Aß, agregados de Aß intermedios entre el péptido único y las placas maduras, interactúan de alguna manera con las membranas de las células nerviosas, pero el mecanismo real de toxicidad celular sigue sin estar claro.
» Sabemos que los oligómeros de Aß interactúan fuertemente con las membranas e interfieren con su capacidad para preservar los gradientes iónicos entre el interior y el exterior de la célula. Sin embargo, sigue siendo un enorme desafío determinar si los oligómeros de Aß realmente hacen un agujero en la membrana, o si afectan las propiedades de la membrana lo suficiente como para alterar las propiedades críticas de los canales de la membrana», explica Lösche.
Con técnicas de dispersión de neutrones, Lösche y sus colegas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) están estudiando cómo interactúa el Aß con modelos de membrana sintética llamados «membranas lipídicas bicapa atadas» (TBLM). Los TBLM están hechos de una bicapa lipídica que está unida químicamente a un sustrato sólido, por ejemplo, una oblea de silicio, a través de correas de polímero.
«Estas membranas atadas son muy potentes porque son extremadamente estables. Podemos manipularlos y medirlos durante períodos prolongados. Eso es extraordinario para un folleto exquisitamente frágil de material fluido de 5 nanómetros de espesor», dijo Lösche.
En colaboración con químicos de la Universidad de California en Irvine, el equipo de Lösche incubó TBLM con oligómeros de Aß y estudió la respuesta estructural y funcional de la membrana en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST en Gaithersburg, Md. Observaron una ruptura de las propiedades aislantes de la bicapa lipídica, lo que hace que la membrana pierda iones. Pero la firma de la fuga de membrana es distinta de la de otras disfunciones de membrana, que el grupo de Lösche ha estudiado en detalle. Por ejemplo, algunas bacterias liberan una toxina, la alfa-hemolisina, que se inserta en las membranas de la célula huésped, formando canales que causan fugas de iones llenos de agua. Al comparar el modo de funcionamiento de la alfa-hemolisina con el del Aß, se está haciendo evidente que los oligómeros de Aß no solo «perforan» agujeros en la membrana, según Lösche.
El grupo de Lösche amplía ahora este trabajo en colaboración con Markus Deserno, profesor asociado de física, que desarrolla modelos informáticos de membranas celulares.
» Se puede hacer mucho con los experimentos, pero debido al desorden intrínseco de la membrana biológica es imposible mirar todos los aspectos del detalle atómico o de la dinámica molecular. Estas cosas se pueden hacer en una computadora», explica Deserno.
Deserno y sus colegas del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Maguncia, Alemania, crearon una simulación por computadora que sigue el comportamiento de una membrana artificial que consta de 50.000 moléculas de lípidos individuales. Cada molécula de lípidos se representa simplemente como tres esferas.
«Nuestro modelo es de grano grueso», explica Deserno. «Se puede pensar en ella como una pintura impresionista. A la distancia, todo se ve bien. Se pueden ver nenúfares o bailarinas. Pero de cerca, todos los detalles se han ido; solo ves manchas de color. Estamos interesados en lo que está pasando con los nenúfares, no en las manchas de color», dice.
Con este modelo de grano grueso, Deserno puede capturar características importantes, como cómo se dobla y curva la membrana, lo que le permite hacer preguntas que están más allá del nivel atómico pero menos que el nivel de una celda completa. Su modelo también es versátil; puede añadir proteínas específicas de interés a la membrana lipídica y observar cómo interactúan. El siguiente paso para Deserno y Lösche es sembrar la membrana artificial en el modelo de computadora de Deserno con proteínas Aß para obtener más pistas sobre cómo el Aß daña la membrana.
Membrana unida
La membrana externa de la célula no es la única membrana que lleva a cabo procesos críticos que sustentan la vida. Las células compartimentan sus interiores en orgánulos unidos a la membrana, como el retículo endoplásmico (RE) y el aparato de Golgi, para realizar varias tareas, como la producción de proteínas, de manera más eficiente.
Pero la membrana de un orgánulo es mucho más que una barrera. Las membranas juegan un papel clave en el transporte de proteínas desde la sala de emergencias al aparato de Golgi, dentro del Golgi y luego desde el Golgi hasta su destino final dentro de la célula.
«Muchas enfermedades ocurren cuando hay un mal funcionamiento en el tráfico de membranas», dijo Adam Linstedt, profesor de ciencias biológicas. Los investigadores han descubierto que docenas de trastornos genéticos humanos son el resultado de defectos en el tráfico de membranas, incluidas varias enfermedades neurodegenerativas y trastornos del desarrollo.
Linstedt, junto con Christina Lee, profesora asistente de ciencias biológicas, está investigando las vías de tráfico de membranas en el Golgi y la sala de Emergencias y aprendiendo mucho sobre la estructura de los orgánulos a lo largo del camino.
Linstedt ha identificado un grupo de proteínas involucradas en la formación de la cinta de Golgi, una estructura compleja de subcompartamentos de Golgi, o pilas, interconectadas por túbulos. Las pilas, y las enzimas dentro de ellas, funcionan como una línea de ensamblaje, procesando miles de proteínas y lípidos recién sintetizados que se mueven a través del Golgi. A medida que una proteína recién sintetizada se mueve dentro de una pila, las enzimas modifican la proteína agregando componentes como carbohidratos o fosfatos. En el momento en que la proteína sale del Golgi, ha sido completamente procesada. Usando una técnica llamada interferencia de ARN, Linstedt inhibió la expresión de las proteínas Golgi GM130 y GRASP65 y descubrió que las pilas de Golgi no se unían en una cinta. En células sin cinta, Linstedt encontró que algunas de las pilas no enlazadas tenían niveles más altos de enzimas, mientras que otras tenían niveles más bajos, a diferencia de cuando las pilas están orientadas en una cinta y tienen una distribución igual de enzimas Golgi. Los niveles uniformes de enzimas podrían ser críticos, según Linstedt, porque las células con una cinta de Golgi no unida tenían proteínas poco procesadas. Un procesamiento deficiente puede conducir a graves defectos de desarrollo en una variedad de organismos, desde ratones hasta humanos.
«Nadie sabía para qué era la cinta», ex – plains Linstedt. «Ahora tenemos una explicación: la cinta es importante para equilibrar la concentración de enzimas en toda la red de membranas y es necesaria para el procesamiento correcto de las proteínas.»
El Golgi juega un papel importante en el procesamiento final de las proteínas, pero las proteínas se ensamblan inicialmente en la sala de Emergencias, una red membranosa única y continua que se extiende desde el núcleo hasta la membrana celular. Lee adopta un enfoque bioquímico para estudiar la sala de emergencias, rompiendo las células abiertas y lavándose con sal, que elimina las moléculas conectadas electrostáticamente a la membrana de la sala de Emergencias. Después de probar estas moléculas una a la vez para ver su efecto en la membrana del ER, Lee identificó un factor clave involucrado en la formación de una red de ER extendida. El factor, una variante de la enzima nucleósido difosfato quinasa (NDKB), ya se sabía que funcionaba en las células, pero no se había conectado a la morfología de la membrana. Resulta que el NDKB se une directamente a los fosfolípidos ácidos en la membrana ER y puede ensamblarse para formar un andamio que estabiliza la red de membrana extendida.
«Hay un enorme flujo de membrana que comienza en la sala de emergencias y se desplaza hacia la superficie celular», explica Linstedt. «Gran parte de este flujo de membrana es generado por vesículas que se forman de un compartimento y se fusionan con el siguiente compartimento. Es posible que, si entendiéramos mejor estos procesos, podríamos dirigirnos a las vías de tráfico de membranas para luchar contra las enfermedades.»
A medida que los científicos de MCS utilizan las herramientas de la biología para comprender la función celular básica y las herramientas de la física para desentrañar las propiedades físicas de las membranas, se acercan un paso más a comprender cómo funcionan las membranas en la salud y la enfermedad.
«Creo que si los biólogos, los físicos, los ingenieros y los matemáticos se confunden, llegaremos a nuevos conocimientos mucho más rápido y con mayor confianza», dijo Deserno.
