Las membranas celulares juegan un papel crucial en el mantenimiento de la integridad y funcionamiento de las células. Sin embargo, los mecanismos a través de los cuales aseguran estas funciones no están completamente comprendidos.
Científicos de la Universidad de Ginebra (UNIGE), en colaboración con el Instituto de Biología Estructural de Grenoble (IBS) y la Universidad de Friburgo (UNIFR), han utilizado la criomicroscopía electrónica para observar cómo los lípidos y las proteínas de la membrana plasmática interactúan y responden al estrés mecánico.
Estos trabajos muestran que, dependiendo de las condiciones, pequeñas regiones de la membrana pueden estabilizar diferentes lípidos para desencadenar respuestas celulares específicas. Estos hallazgos, publicados en la revista
Nature, confirman la existencia de dominios lipídicos bien organizados y comienzan a revelar su papel en la supervivencia celular.
Las células están rodeadas por una membrana - la membrana plasmática - que sirve como una barrera física, pero debe ser maleable. Estas propiedades son conferidas por los componentes de las membranas - lípidos y proteínas - cuya organización molecular varía en función del entorno exterior. Este dinamismo es esencial para la función de la membrana, pero debe ajustarse finamente para que no se vuelva ni demasiado tensa ni demasiado flexible.
La forma en que las células perciben los cambios en las propiedades biofísicas de la membrana plasmática implicaría microrregiones de la membrana, conocidas como microdominios, que presentan un contenido y organización específicos en lípidos y proteínas.
Criomicroscopía electrónica de alta resolución
El equipo de Robbie Loewith, profesor del Departamento de Biología Molecular y Celular de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, está interesado en cómo interactúan los componentes de la membrana plasmática entre sí para que las propiedades biofísicas de la membrana sigan siendo óptimas para el crecimiento y la supervivencia de las células.
Estructura de triple hélice del eisosoma, un microdominio de membrana sensible al estiramiento de la levadura de panadero, resuelto por criomicroscopía electrónica de alta resolución.
© Jennifer Kefauver, Ambroise Desfosses, Luoming Zou, Robbie Loewith
"Hasta ahora, las técnicas disponibles no nos permitían estudiar los lípidos en su entorno natural dentro de las membranas. Gracias al Dubochet Center for Imaging (DCI) de las universidades de Ginebra, Lausana, Berna y la EPFL, pudimos enfrentar este desafío utilizando la criomicroscopía electrónica", explica Robbie Loewith. Esta técnica permite congelar muestras a -200°C para atrapar las membranas en su estado nativo, que luego pueden observarse bajo un microscopio electrónico.
Los científicos utilizaron la levadura de panadero (Saccharomyces cerevisiae), un organismo modelo en muchos laboratorios de investigación porque es muy fácil de cultivar y manipular genéticamente. Además, la mayoría de sus procesos celulares fundamentales son similares a los de los organismos superiores. Este estudio se centró en los eisosomas, que son microdominios membranales específicos organizados alrededor de una red de proteínas. Estos eisosomas serían capaces de secuestrar o liberar proteínas y lípidos para ayudar a las células a resistir los daños sufridos por la membrana y/o señalarlos, según procesos hasta ahora desconocidos.
"Por primera vez, logramos purificar y observar eisosomas que contienen lípidos de la membrana plasmática en su estado nativo. Esto es un verdadero avance para comprender mejor su funcionamiento", explica Markku Hakala, postdoctorado del Departamento de Bioquímica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y coautor del estudio.
Convertir una señal mecánica en una señal química
Gracias a la criomicroscopía electrónica, los científicos observaron que la organización lipídica de estos microdominios se modifica en respuesta al estrés mecánico. "Descubrimos que cuando la red de proteínas del eisosoma se estira - por ejemplo, bajo la presión mecánica - el complejo arreglo de los lípidos en los microdominios se modifica. Esta reorganización de los lípidos probablemente permite la liberación de moléculas de señalización secuestradas para desencadenar mecanismos de adaptación al estrés. Nuestro estudio revela un mecanismo molecular por el cual el estrés mecánico puede ser convertido en señalización bioquímica a través de interacciones proteínas-lípidos con una precisión inédita", entusiasma Jennifer Kefauver, postdoctorante del Departamento de Biología Molecular y Celular y primera autora del estudio.
Estos trabajos abren numerosas vías para estudiar el papel primordial de la compartimentación de las membranas, es decir, el desplazamiento dentro de las membranas de proteínas y lípidos para formar subcompartimentos, los microdominios. Este mecanismo permite a las células realizar funciones bioquímicas especializadas, en particular la activación de las vías de comunicación celular en respuesta a los diversos estreses que las células pueden sufrir.
Fuente: Universidad de Ginebra