Los biólogos celulares de Johns Hopkins informan lo que creen que es la primera creación de diminutos grumos similares a gelatina a base de proteínas llamados hidrogeles dentro de las células vivas. La capacidad de crear hidrogeles bajo demanda, dicen, debería hacer avanzar la larga lucha científica para estudiar las escurridizas estructuras, que se forman en la naturaleza cuando las proteínas u otras moléculas se agregan bajo ciertas condiciones, y descubrir sus supuestas contribuciones a las enfermedades humanas.
«La parte emocionante de este trabajo no es solo que hicimos hidrogeles, sino que ahora estamos equipados con esta poderosa técnica que nos permite hacer preguntas fundamentales y muy desafiantes sobre ellos», dice Takanari Inoue, Ph.D. ., profesor asociado de biología celular en la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins y autor principal del informe sobre la investigación publicado en línea el 6 de noviembre en la revista Materiales de la naturaleza.
Un hidrogel es cualquier material de gel sólido que se mantiene unido debido a las estrechas conexiones entre sus moléculas, pero que también absorbe mucha agua. Los hidrogeles artificiales se utilizan en productos cotidianos como lentes de contacto, pañales desechables y geles para el cabello, que aprovechan su naturaleza amante del agua.
En las células vivas, la mayoría de las estructuras flotantes están rodeadas por membranas que les ayudan a conservar su forma en el citoplasma acuoso de las células. Pero cuando las células se someten a estrés, desde calor hasta inanición o infección, las proteínas y las moléculas de ácido ribonucleico (ARN) pueden agruparse en gránulos de estrés, que están libres de membranas que los encierran y, a menudo, forman pequeños grumos similares a gel para el cabello suspendidos en una tina de agua.
Algunos investigadores han planteado la hipótesis de que la acumulación de estos hidrogeles naturales puede estar relacionada con enfermedades neurodegenerativas, incluida la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), y que demasiados o muy pocos gránulos de estrés podrían afectar la capacidad de funcionamiento de las células. Pero encontrar evidencia ha sido difícil, en parte porque otros tipos de hidrogeles dentro de las células pueden ser partes normales de la fisiología celular.
«Estos hidrogeles carecen de membranas, por lo que es difícil aislarlos y purificarlos», dice Inoue. «Son tan frágiles que no podemos simplemente recolectarlos como podemos con los núcleos o las mitocondrias», agrega. Peor aún, dice, cuando cambia su entorno, los gránulos de estrés pasan de ser hidrogeles a un tipo diferente de estructura, llamadas gotas líquidas, de la misma manera que el gel para el cabello se puede disolver en agua si lo calientas. Científicos de todo el mundo han tratado de inyectar hidrogeles químicos en células vivas para estudiarlas, pero por lo general las células se enferman, probablemente debido a la toxicidad de los productos químicos.
En un intento por superar tales barreras para el estudio, el equipo de Inoue diseñó un sistema que denominaron iPOLYMER, compuesto por dos proteínas de unión, FKBP y FRB, y un químico y fármaco inmunosupresor llamado rapamicina. Los investigadores ya sabían que la rapamicina podría usarse para mediar en las interacciones entre FKBP y FRB.
Estudios previos habían demostrado que sin la presencia de rapamicina, FKBP y FRB existen como proteínas separadas, pero una vez que se agrega la rapamicina, se une a ambas, uniendo las proteínas en un complejo firme. Diseñar las proteínas para que formaran la estructura física adecuada para los hidrogeles requirió mucho ensayo y error, dice Inoue.
Para crear iPOLYMER en células vivas, los investigadores diseñaron células para que contuvieran dos tipos de cadenas de proteínas compuestas de FKBP y FRB en tándem, y luego agregaron rapamicina, que generalmente no se encuentra en las células vivas. Al observar estas células bajo un microscopio mientras agregaban rapamicina, el equipo de Inoue pudo ver la formación de hidrogeles.
«Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que alguien ha hecho un hidrogel en una célula viva de esta manera», dice Inoue.
Los científicos ahora están modificando el sistema iPOLYMER para que los hidrogeles integren moléculas de ARN en sus estructuras, haciéndolos mejores imitadores de los gránulos de estrés que se ven en las células humanas. A los científicos también les gustaría crear un sistema en el que las proteínas, FKBP y FRB, formen gotitas líquidas para poder comparar los efectos de las formas de gotitas líquidas y de hidrogel de las estructuras proteicas.
