Cuando llegamos a la edad adulta, nuestras células madre pueden dividirse para renovar los tejidos del cuerpo, pero después de dividirse varias veces, se convierten en células maduras que se dividen unas cuantas veces y luego mueren. Sólo notamos este equilibrio cuando se altera, por ejemplo, cuando las células comienzan a dividirse sin control y crean crecimientos cancerosos.

De ello se deduce que un equilibrio entre las células en división y las maduras es una condición previa para la existencia de cualquier organismo multicelular, pero ¿cómo se mantiene? En un nuevo estudio publicado recientemente en Cell , investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias utilizaron organismos unicelulares para comprender mejor cómo los organismos multicelulares mantienen este equilibrio y se protegen del cáncer.

La diferenciación celular es un "entrenamiento de especialización" biológico en el que una célula madre se divide en dos células hijas, una de las cuales asume un papel definido y adquiere las características necesarias para desempeñarlo. Cuando las células se diferencian, su nueva especialidad es útil para el organismo multicelular del que forman parte, pero pagan un alto precio individual:cuanto más avanzan en esta vía de especialización, más disminuye su capacidad de replicarse, hasta que dejan de serlo. ya no podemos dividirnos.

Esta lenta división de las células diferenciadas las hace vulnerables a poblaciones de células que se dividen y crecen a un ritmo más rápido y, por tanto, pueden apoderarse del tejido y sus recursos. En algunos tipos de cáncer de la sangre, por ejemplo, las células madre de la médula ósea sufren una mutación que ralentiza su diferenciación y les permite producir más células madre hijas. Estas células mutantes aprovechan el punto débil natural en el proceso de diferenciación, superando a la población de células sanas en un proceso conocido como adquisición mutante.

Aunque, en promedio, ocurre una mutación en cada división celular de nuestro cuerpo, la mayoría de nosotros disfrutamos de décadas de buena salud, a través de innumerables divisiones celulares, sin experimentar la invasión mutante. Esto sugiere que existen mecanismos eficaces para hacer frente a esta amenaza, incluso si son difíciles de identificar en organismos complejos.

Los científicos del grupo de investigación del Prof. Uri Alon en el Departamento de Biología Celular Molecular de Weizmann decidieron diseñar bacterias E. coli, que normalmente no se diferencian, para someterlas a un proceso de diferenciación artificial, lo que permitirá a los investigadores estudiar cómo una población de células se enfrenta a mutantes. adquisición.

"El modelo de E. coli tiene una serie de ventajas claras", explica el Dr. David Glass, quien dirigió el estudio en el laboratorio de Alon. "Uno de ellos es el corto tiempo generacional, lo que nos permitió estudiar el desarrollo de mutantes durante cientos de generaciones en el laboratorio."

Para producir bacterias E. coli capaces de diferenciarse, los investigadores se inspiraron en las cianobacterias llamadas Anabaena, que se diferencian (cortando ciertos segmentos de su ADN) en respuesta a la escasez de nitrógeno en su entorno. Aunque las bacterias diferenciadas pierden la capacidad de dividirse, obtienen una importante ventaja de supervivencia:la capacidad de abastecerse de nitrógeno para sí mismas y para toda la colonia.

Para imitar el proceso de diferenciación en el modelo de E. coli, los científicos cultivaron la bacteria en un entorno que incluía antibióticos pero carecía de un aminoácido esencial. Utilizando ingeniería genética, insertaron en cada bacteria varias copias de un gen de resistencia a los antibióticos y varias copias de un gen que producía el aminoácido faltante.

Antes de que comenzara el proceso de diferenciación artificial, es decir, cuando las bacterias estaban en un estado equivalente al de las células madre, los genes de resistencia a los antibióticos estaban activos, por lo que las bacterias eran capaces de dividirse y diferenciarse a un ritmo elevado a pesar de la presencia de el antibiótico.

Cuando comenzó el proceso de diferenciación mediante la eliminación de los genes de resistencia a los antibióticos, las bacterias perdieron gradualmente su capacidad de dividirse y diferenciarse, pero obtuvieron una ventaja de supervivencia:los cortes en el ADN activaron gradualmente los genes que producían el aminoácido esencial. /P>

"Para determinar qué tasa de diferenciación funciona mejor, realizamos una competencia entre 11 cepas de E. coli, cada una de las cuales corta segmentos de ADN (es decir, se diferencia) a una velocidad diferente", explica Glass. "Mezclamos cantidades iguales de bacterias, las cultivamos durante unos días y luego comprobamos cuáles habían sobrevivido.

"Descubrimos una selección muy fuerte a favor de bacterias que se diferenciaban a un ritmo moderado y descubrimos que las cepas de bacterias con un ritmo moderado de diferenciación mantenían el equilibrio óptimo de tipos de células en su población. En un momento dado, sólo una minoría de las Las células eran 'células madre puras' o 'células completamente diferenciadas' y la mayoría se encontraron en estados intermedios del proceso".

Esta tasa de diferenciación óptima y moderada es compartida por varios sistemas del cuerpo humano, en los que se mantiene un equilibrio cuantitativo entre las células madre, las células progenitoras en diferentes etapas de diferenciación y las células diferenciadas que ocasionalmente mueren y son reemplazadas por otras nuevas.

Para mantener estable el tamaño de la población, es importante mantener ese equilibrio incluso cuando las condiciones ambientales cambian. Para descubrir si las bacterias en su modelo realmente mantenían este equilibrio incluso bajo condiciones cambiantes, los investigadores las cultivaron en 36 combinaciones diferentes de concentraciones de antibióticos y aminoácidos en el medio de cultivo.

"Vimos que en todas las situaciones, excepto en las más extremas, como la ausencia total de antibióticos, la tasa de diferenciación óptima de las células se mantuvo en el rango moderado y el equilibrio se mantuvo", explica Glass. "Esto significa que el equilibrio poblacional que caracteriza el modelo de diferenciación que desarrollamos es, en gran medida, inmune a los cambios y amenazas ambientales".

Pero, ¿una población de bacterias que se diferencia a un ritmo óptimo también es inmune a la invasión de mutantes, como los sistemas de los organismos multicelulares?

Para probar la capacidad de estas bacterias para resistir la invasión mutante, los investigadores las cultivaron durante muchas generaciones y verificaron si aparecían mutaciones aleatorias durante el largo período de crecimiento, creando bacterias que no se diferencian en absoluto y se dividen sin control. En otras palabras, ¿las bacterias mutantes provocan la adquisición de mutantes o se suprimen en una etapa temprana?

La primera vez que realizaron el experimento, los investigadores se sintieron decepcionados al encontrar adquisiciones mutantes en la mitad de los casos. "Descubrimos que cuando un cambio genético rompe la conexión entre la desaceleración de la diferenciación y la obtención de esa ventaja de supervivencia, los mutantes que no se diferencian pueden tomar el control", añade Glass.

A continuación, los investigadores repitieron el experimento con una nueva cepa bacteriana que fue diseñada genéticamente para ser inmune a la mutación identificada. "Logramos cultivar alrededor de 270 generaciones de bacterias diferenciadoras y no se produjo ninguna invasión mutante. Desafortunadamente, la invasión de Israel el 7 de octubre interrumpió el experimento y las bacterias bien pueden ser aún más resistentes", dice Glass.

"Demostramos que un sistema en el que las células diferenciadas de E. coli dejan de dividirse pero obtienen una ventaja de supervivencia puede mantener un equilibrio poblacional óptimo y evitar la adquisición de mutantes. Muchas enfermedades, como el cáncer y los trastornos autoinmunes, son exclusivas de los organismos multicelulares. Cuando genéticamente Al diseñar cada vez más características de sistemas multicelulares en organismos unicelulares, podemos descubrir los puntos débiles y buscarlos también en el tejido humano".

"Más allá de la ciencia básica, estos nuevos hallazgos también podrían tener un impacto en el uso de bacterias en la industria", añade Glass. "Las bacterias genéticamente modificadas se utilizan actualmente en la producción a gran escala de insulina, enzimas y otras sustancias utilizadas por los humanos. Crear una población de bacterias diferenciadoras que mantenga su equilibrio, se renueve e incluso impida la adquisición de mutantes podría ser muy útil en estos procesos de producción. ."