¿Cómo equilibra una célula el riesgo y la velocidad al dividirse? Los científicos de EPFL han desarrollado y probado experimentalmente la primera teoría matemática que describe la mejor estrategia de la célula para dividirse de manera segura y eficiente.

Las células pasan por un ciclo de vida que incluye crecer hasta alcanzar el tamaño adecuado, equiparse para realizar sus funciones y finalmente dividirse en dos nuevas células. El ciclo celular es crítico porque asegura la perpetuación de la población celular y, por extensión, de la estructura mayor de la que forman parte, por ejemplo, un tejido en el cuerpo.

El ciclo celular en sí está estrictamente regulado por puntos de control, que evitan que errores como mutaciones o daños en el ADN se transmitan a la próxima generación de células. Cada punto de control actúa como una especie de monitor de control de calidad (una "lista de control" biológica) que asegura el orden, la integridad y la fidelidad del ciclo celular. Pero los propios puntos de control a menudo fallan o se anulan después de una parada prolongada del ciclo celular. Si esto sucede en el cuerpo humano, el resultado podría ser un crecimiento y una división celular no regulados, que es lo que sucede en el cáncer.

"Los puntos de control monitorean células u organismos completos y pueden detener el ciclo celular o el desarrollo del organismo cuando detectan problemas", dice Sahand Jamal Rahi de la Escuela de Ciencias Básicas de la EPFL. "Pero si las células o los organismos están atascados con un error durante mucho tiempo, en muchos casos, simplemente continúan dividiéndose o creciendo; no se detienen para siempre. Existe un riesgo real de morir si los puntos de control no se detienen en absoluto". pero también esperar para siempre es efectivamente equivalente a morir".

La matemática de la anulación del punto de control

La pregunta es entonces, ¿cómo equilibra la célula el riesgo y la velocidad al dividirse? Aunque crítica, la anulación del punto de control no se entiende muy bien, ni teórica ni experimentalmente. Pero en un nuevo artículo, Rahi y sus colegas presentaron la primera teoría matemática para describir el proceso de anulación de puntos de control. "Muchos organismos tienen que predecir lo que va a pasar", dice. "Tienes un problema y tienes que evaluar qué tan grave podría ser ese problema porque las consecuencias no son seguras. Podrías sobrevivir a esto o no sobrevivir a esto. Entonces, la célula hace una apuesta de cualquier manera. Y en este estudio, analizar las probabilidades de esa apuesta".

Para un organismo modelo de la vida real, los investigadores observaron la levadura en ciernes Saccharomyces cerevisiae, que se ha utilizado en la elaboración del vino, la cocción y la elaboración de cerveza durante siglos. "Existen sistemas que monitorean organismos, y entre estos sistemas, posiblemente el mejor estudiado es el punto de control de daños en el ADN en la levadura", dice Rahi. "Entonces, pensamos, echemos un vistazo a eso y veamos si podemos dar sentido a las anulaciones de los puntos de control. Comenzamos con un análisis matemático detrás del cual había una pregunta muy simple:¿qué pasa si estos organismos están equilibrando el riesgo y la velocidad porque tienen que predecir el futuro?"

La compensación riesgo-velocidad

Esta compensación entre riesgo y velocidad es similar al sistema de control de calidad de la línea de montaje de una fábrica:¿qué tan rápido puede producir cosas antes de que la calidad se vea afectada? ¿Cómo se equilibra la calidad y la eficiencia? "La gente ha pensado antes en esta compensación riesgo-velocidad para los puntos de control, pero solo lo han pensado cualitativamente", dice Rahi. "No es algo que haya sido realmente analizado o tomado en serio. Entonces, ¡supongo que podemos reclamar la propiedad de la idea!"

Los científicos estudiaron la relación entre el riesgo y la velocidad. "La teoría consiste básicamente en equilibrar diferentes probabilidades, por lo que estamos calculando el cambio en el estado físico si espera frente a si continúa con la autorreplicación", dice Rahi. "El organismo tiene que idear una estrategia que implique tomar continuamente la decisión de esperar o irse dependiendo de la gravedad de la situación del organismo en ese momento. Por supuesto, esperar significa que tendrás cada vez menos descendencia. Así que la alternativa es arriesgarse, entonces la célula se divide y hay una probabilidad de que sobreviva, y hay una probabilidad de que muera". La teoría calcula cuándo el riesgo y la velocidad se equilibran entre sí, determinando el "tiempo" óptimo. "El resultado resultó ser una ecuación muy simple", agrega Rahi.

A pesar de estar desarrollada para la levadura, la teoría se aplica ampliamente a las células porque solo tiene en cuenta el riesgo y la velocidad, factores que afectan a todos los organismos. "No existe una correspondencia uno a uno entre lo que sucede en la levadura y las células de los mamíferos porque las células de los mamíferos tienen otras limitaciones además de maximizar su propio crecimiento", dice Rahi.

La dimensión del cáncer

"Pero cuando las células se vuelven cancerosas, desacoplan su aptitud de la aptitud de su anfitrión. Y luego la evolución darwiniana sugiere que deberían remodelar sus puntos de control para maximizar el crecimiento. Es algo que nos interesa; uno de nuestros próximos pasos es ver si las células se reconectan". sus puntos de control de manera óptima una vez que se vuelven cancerosos".

Rahi no espera que las células cancerosas eliminen por completo sus sistemas de puntos de control. “No se deshacen de sus puntos de control porque entonces asumen demasiado riesgo en cada división”, dice. "No tener puntos de control en absoluto en comparación con cuando eran precancerosos tampoco es óptimo porque, tan pronto como haya un problema, morirán. Por lo tanto, estamos interesados ​​​​en ver si también apuntan a este estado de equilibrio óptimo que describe nuestra teoría. "

La investigación fue publicada en Nature Physics .