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Los investigadores del MIT descubrieron que antes de que las células comiencen a dividirse, hacen una pequeña limpieza y desechan las moléculas que ya no parecen necesitar.
Usando un nuevo método que desarrollaron para medir la masa seca de las células, los investigadores encontraron que las células pierden alrededor del 4% de su masa cuando entran en división celular. Los investigadores creen que este vaciado de desechos ayuda a las células a dar a su descendencia un «nuevo comienzo», libre de los desechos acumulados de la célula madre.
“Nuestra hipótesis es que las células podrían estar arrojando cosas que se acumulan, compuestos tóxicos o simplemente cosas que no funcionan correctamente y que no quieres tener ahí. Esto podría permitir que las células recién nacidas nazcan con un contenido más funcional”, dice Teemu Miettinen, investigador del MIT y autor principal del nuevo estudio.
Scott Manalis, profesor de Ingeniería David H. Koch en los Departamentos de Ingeniería Biológica e Ingeniería Mecánica, y miembro del Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer, es el autor principal del artículo, que aparece hoy en eLife. Kevin Ly y Alice Lam, estudiantes de bioingeniería del MIT, también son los autores del artículo.
Masa de medición
La medición de la masa seca de una célula, el peso de su contenido sin agua, generalmente se realiza mediante una técnica de microscopía llamada microscopía de fase cuantitativa. Esta técnica puede medir el crecimiento celular, pero no revela información sobre el contenido molecular de la masa seca y es difícil de usar con células que crecen en suspensión.
El laboratorio de Manalis desarrolló previamente una técnica para medir la masa flotante de las células, que es su masa cuando flotan en un fluido como el agua. Este método mide la masa flotante al hacer circular las células a través de un canal incrustado en un voladizo vibratorio, lo que se puede hacer repetidamente para rastrear los cambios en la masa de una célula en particular durante horas o días.
Para su nuevo estudio, los investigadores querían adaptar la técnica para que pudiera usarse para calcular la masa seca de las células, así como la densidad de masa seca. Hace unos 10 años descubrieron que podían calcular la masa seca de una célula si primero la medían en agua normal y luego en agua pesada (que contiene deuterio en lugar de hidrógeno ordinario). Estas dos medidas se pueden utilizar para calcular la masa seca de la celda.
Sin embargo, debido a que el agua pesada es tóxica para las células, solo pudieron obtener una medición por célula. El año pasado, Miettinen se dispuso a ver si podía diseñar un sistema en el que las células pudieran medirse repetidamente con una exposición mínima al agua pesada.
En el sistema que desarrolló, las células se exponen a agua pesada muy brevemente a medida que pasan a través de canales de microfluidos. Solo toma un segundo para que una celda intercambie completamente su contenido de agua, por lo que los investigadores pudieron medir la masa de la celda cuando estaba llena de agua pesada, compararla con la masa en agua normal y luego calcular la masa seca.
«Nuestra idea era que si minimizábamos la exposición de las células al agua pesada, podríamos diseñar el sistema de tal manera que pudiéramos repetir esta medición durante largos períodos de tiempo sin dañar la célula», dice Miettinen. «Cela nous a permis pour la première fois de suivre non seulement la masse sèche d’une cellule, ce que font les autres en utilisant des méthodes microscopiques, mais aussi la densité de la masse sèche, qui nous informe de la composition biomoléculaire de la célula.»
Los investigadores demostraron que sus mediciones de masa seca coincidían cualitativamente con trabajos previos utilizando microscopía de fase cuantitativa. Y, además de proporcionar densidad de masa seca, el método del equipo del MIT permite una mayor resolución temporal, lo que ha demostrado ser útil para revelar la dinámica durante la mitosis (división celular).
Sacar la basura
En las células mitóticas, los investigadores utilizaron su nueva técnica para estudiar qué sucede con la masa celular y la composición durante este proceso. En un artículo de 2019, Miettinen y Manalis descubrieron que la masa flotante aumenta ligeramente al inicio de la mitosis. Sin embargo, otros estudios que han utilizado microscopía de fase cuantitativa han sugerido que las células pueden retener o perder masa seca al principio de la división celular.
En el nuevo estudio, el equipo del MIT midió tres tipos de células cancerosas, que son más fáciles de estudiar porque se dividen con más frecuencia que las células sanas. Para su sorpresa, los investigadores descubrieron que la masa seca de las células en realidad disminuye a medida que entran en el ciclo de división celular. Esta masa se encuentra más tarde, antes de que se complete la división.
Otros experimentos revelaron que cuando las células entran en mitosis, aceleran la actividad de un proceso llamado exocitosis lisosomal. Los lisosomas son orgánulos celulares que descomponen o reciclan los desechos celulares, y la exocitosis es el proceso que utilizan para deshacerse de las moléculas que ya no se necesitan.
Los investigadores también encontraron que la densidad de masa seca aumenta a medida que las células pierden masa seca, lo que les lleva a creer que las células pierden moléculas de baja densidad, como lípidos o lipoproteínas. Ellos plantean la hipótesis de que las células usan este proceso para eliminar moléculas tóxicas antes de dividirse. «Lo que estamos viendo es que las células podrían tratar de deshacerse de los componentes dañados antes de dividirse», dice Miettinen.
Los investigadores creen que sus hallazgos podrían ayudar a explicar por qué las neuronas, que no se dividen, tienen más probabilidades de acumular proteínas tóxicas como Tau o beta-amiloide, que están relacionadas con el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer.
Los hallazgos también podrían ser relevantes para el cáncer: las células cancerosas pueden expulsar ciertos medicamentos de quimioterapia a través de la exocitosis, ayudándolas a volverse resistentes a los medicamentos. En teoría, evitar que ocurra la exocitosis antes de la división celular podría ayudar a que las células cancerosas sean más sensibles a estos medicamentos.
«Hay enfermedades en las que podríamos querer regular al alza la exocitosis, por ejemplo, en enfermedades neurodegenerativas, pero también hay enfermedades como el cáncer en las que podríamos querer reducirla», dice Miettinen. «À l’avenir, si nous pouvions mieux comprendre le mécanisme moléculaire derrière cela et trouver un moyen de le déclencher en dehors de la mitose ou de l’empêcher pendant la mitose, nous pourrions vraiment avoir une nouvelle bascule à utiliser lors du traitement de la enfermedad.»
La investigación fue financiada por el Centro de Medicina de Precisión del Cáncer del MIT, el Fondo Virginia y DK Ludwig para la Investigación del Cáncer, el Consorcio de Biología de Sistemas del Cáncer y la subvención de Apoyo (básico) del Instituto Koch del Instituto Nacional del Cáncer.
