El papel de la filamentación de proteínas en las células

La filamentación de Proteínas es un proceso común que se encuentra en todos los organismos vivos. Esto implica que las proteínas o grupos de proteínas interactúan entre sí para formar cadenas largas o estructuras llamadas filamentos. Algunas proteínas son especialmente buenas para crear estas estructuras, sobre todo cuando su superficie se altera por Mutaciones. Esto indica que formar estos filamentos es parte normal de cómo las proteínas evolucionan con el tiempo. La investigación ha demostrado que muchas enzimas pueden formar estas cadenas largas en su estado natural, lo que puede afectar cómo funcionan o ayudar a crear áreas dentro de la célula que no tienen membranas.

Sin embargo, cuando la filamentación sale mal, puede ocasionar problemas de salud. Por ejemplo, en la anemia de Células falciformes, un solo cambio en la hemoglobina hace que se adhiera, cambiando la forma de los glóbulos rojos. Esto puede causar problemas de salud graves. De la misma forma, una mutación en otra proteína puede llevar a la formación de grandes estructuras que afectan la visión, como las cataratas. Este tipo de ensamblaje de proteínas es diferente del agrupamiento o Agregación normal, que ocurre cuando las proteínas se pliegan mal. Para describir esta diferencia, los investigadores proponen usar el término "Aglomeración" para lo primero.

Las células tienen varios sistemas para lidiar con proteínas que se han pliegado mal o agregado. Cuando estos sistemas no pueden solucionar el problema, las proteínas mal plegadas se descomponen a través de diferentes vías, una de las cuales incluye el proteasoma, una estructura celular responsable de degradar proteínas innecesarias. Otros métodos de descomposición de proteínas incluyen la autofagia y tipos específicos de proteasas. Ciertos tipos de proteínas malformadas conocidas como amiloides también pueden descomponerse mediante autofagia.

Este texto destaca cómo las células logran manejar las proteínas mal plegadas y sus formas asociadas. El hecho de que la aglomeración ocurra a menudo a lo largo de la evolución, a veces debido a mutaciones simples, lleva a los investigadores a investigar si existen métodos similares para manejar la aglomeración no deseada. Para hacer esto, es esencial poder distinguir entre las estructuras formadas por proteínas adecuadamente plegadas (agglomeration) y las formadas por proteínas mal plegadas (aggregation).

Para explorar esta distinción, los investigadores crearon una prueba sencilla para ver si una versión saludable de una proteína podría prevenir la formación de estas estructuras. Al comparar las reacciones en las células a aglomerados y agregados, los investigadores encontraron que estos últimos a menudo se asociaban con proteínas ayudantes conocidas como chaperonas, mientras que los aglomerados no. Pruebas adicionales sobre los componentes de aglomerados y agregados arrojaron más evidencia que muestra que los aglomerados parecen tener poco o ningún impacto en la salud celular.

#La naturaleza de las estructuras de proteínas

Para investigar cómo las células abordan la aglomeración causada por mutaciones, los investigadores se fijaron en ciertas proteínas que previamente se ha demostrado que forman estructuras dentro de las células cuando se mutan. Estas proteínas tienen una forma simétrica y, mediante mutaciones puntuales, pueden comenzar a agruparse en grandes estructuras visibles bajo el microscopio. Cada una de estas proteínas está identificada por un código específico que brinda detalles sobre sus propiedades, como tamaño y las ubicaciones de las mutaciones.

Una de estas proteínas mutantes ya se ha estudiado más de cerca utilizando técnicas avanzadas para observar cómo forma filamentos mientras mantiene su forma. Sin embargo, el equipo de investigación quería determinar si estas proteínas se mantenían en una forma adecuada dentro de células vivas. Se descubrió que algunas de las mutantes formaban filamentos, lo que indica que conservaron su estructura plegada, mientras que otras formaban agrupaciones típicas de proteínas mal plegadas, lo que plantea preguntas sobre cómo se ensamblaron.

#Métodos de imagen para estructuras de proteínas

Para tener una mejor visión de cómo estas proteínas forman estructuras, los investigadores utilizaron un método llamado Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM). Se centraron en una proteína mutante específica que formaba tanto agrupaciones como fibras. El análisis TEM mostró que dentro de las células se encontraban pequeños paquetes de filamentos, confirmando que las agrupaciones eran, de hecho, filamentos cortos y no masas aleatorias.

Para validar esto, los investigadores utilizaron un método llamado tomografía electrónica criogénica (cryo-ET) que les permitió visualizar los filamentos a una resolución aún mayor. Este método mostró que los filamentos coincidían con el tamaño esperado del complejo proteico, apoyando la idea de que la proteína mantenía su forma mientras formaba estas estructuras.

Los investigadores también compararon la estructura de la proteína tipo salvaje y sus versiones mutantes utilizando espectroscopia de dicroísmo circular (CD). Al analizar las diferencias entre sus espectros, pudieron inferir si los mutantes mantenían su estructura original. La mayoría de las proteínas mantuvieron su forma, pero un par mostraron cambios significativos, indicando que las mutaciones pudieron haber causado que se plieguen mal.

#Distinguiendo aglomeración de agregación

La presencia de aglomerados y agregados generalmente se puede identificar observando cómo responden en células vivas. Para ver si una versión normal de una proteína podía detener a una proteína mutante de formar estructuras, los investigadores coexpresaron los dos tipos en las mismas células. Al medir los niveles de ambas proteínas, pudieron ver cómo la presencia de la proteína saludable afectaba la formación del aglomerado.

Los resultados fueron reveladores: cuando había mayores cantidades de proteína tipo salvaje, los aglomerados eran menos frecuentes, lo que sugiere que en realidad estaban formados por proteínas adecuadamente plegadas. En contraste, algunas otras proteínas mutantes mostraron una formación reducida de estructuras incluso cuando estaban presentes proteínas tipo salvaje, lo que sugiere que esas proteínas estaban mal plegadas.

A continuación, el equipo estudió si los aglomerados interactuaban con varias proteínas celulares, particularmente aquellas involucradas en el manejo de proteínas mal plegadas. Examinaron varios tipos diferentes de ayudantes de proteínas, pero encontraron que los aglomerados no mostraron una interacción significativa con estos. En cambio, las proteínas mal plegadas parecieron agruparse con estos ayudantes, indicando que la célula las reconocía como problemáticas.

#Impacto de los aglomerados en la salud celular

Los experimentos realizados hasta ahora sugirieron que, mientras las proteínas mal plegadas desencadenaban respuestas por parte de la maquinaria de reparación celular, los aglomerados no parecían crear problemas para la célula. Para investigar el impacto de los aglomerados en la salud celular, los investigadores realizaron varios experimentos de crecimiento. Cultivaron células que expresaban diferentes tipos de proteínas mutantes y midieron cuán rápido podían crecer estas células.

El análisis de crecimiento reveló que las células con aglomerados no sufrían ninguna pérdida significativa en la velocidad de crecimiento o en la salud general en comparación con las células tipo salvaje. De hecho, en algunos experimentos, aquellas con aglomerados tuvieron una ligera ventaja en el crecimiento. Esto implicaba que los aglomerados podían ser estructuras benignas que la célula puede tolerar sin efectos dañinos.

Para ver si la presencia de aglomerados causaba cambios en la composición de las proteínas celulares, los investigadores utilizaron una técnica llamada proteómica shotgun. Esto les permitió analizar la abundancia de proteínas en células que expresaban aglomerados frente a aquellas que expresaban proteínas tipo salvaje. Los resultados mostraron poca diferencia en los niveles de expresión de proteínas en la mayoría de los casos.

Sin embargo, en un caso específico con un aglomerado más grande, los investigadores observaron cambios claros en la expresión de proteínas, incluyendo varias proteínas asociadas con la pared celular y la membrana. Estos hallazgos abrieron preguntas sobre cómo el cambio de estructuras dentro de la célula puede inducir cambios en los perfiles de proteínas y pueden señalar un impacto dependiente del tamaño de los aglomerados.

#Conclusión: Implicaciones para la biología sintética

En general, la investigación sugiere que, mientras algunas proteínas forman agregados dañinos que pueden llevar a enfermedades, otras forman aglomerados que parecen inofensivos e incluso pueden servir funciones útiles. La capacidad de las células para tolerar aglomerados puede allanar el camino para nuevas aplicaciones en biología sintética, donde estas estructuras pueden ser utilizadas para diseñar herramientas para estudiar procesos celulares o para crear funcionalidades novedosas dentro de células vivas.

El posible uso de estos aglomerados en aplicaciones de biología sintética es una perspectiva emocionante. Podrían servir como plataformas para entregar proteínas, sensores, o incluso como una forma de rastrear la expresión genética en tiempo real. A medida que los investigadores continúan explorando las características y el comportamiento de los aglomerados bajo diversas condiciones celulares, pueden surgir usos más innovadores, haciéndolos valiosos en numerosos campos científicos.