Los óvulos son las células individuales más grandes del planeta. Su tamaño (a menudo de varias a cientos de veces el tamaño de una célula típica) les permite crecer hasta convertirse en organismos completos, pero también dificulta el transporte de nutrientes y otras moléculas alrededor de la célula. Los científicos saben desde hace mucho tiempo que los óvulos en maduración, llamados ovocitos, generan flujos de líquido internos en forma de tornados para transportar nutrientes, pero cómo surgen esos flujos en primer lugar ha sido un misterio.
Ahora, una investigación dirigida por científicos computacionales del Instituto Flatiron, junto con colaboradores de las universidades de Princeton y Northwestern, ha revelado que estos flujos, que parecen tornados microscópicos, surgen orgánicamente de las interacciones de unos pocos componentes celulares.
Su trabajo, publicado en Nature Physics , utilizó teoría, modelos informáticos avanzados y experimentos con óvulos de mosca de la fruta para descubrir la mecánica de los tornados. Los resultados están ayudando a los científicos a comprender mejor las cuestiones fundamentales sobre el desarrollo de los óvulos y el transporte celular.
"Nuestros hallazgos representan un gran salto en este campo", dice el coautor Michael Shelley, director del Centro de Biología Computacional (CCB) del Instituto Flatiron. "Pudimos aplicar técnicas numéricas avanzadas de otras investigaciones que hemos estado desarrollando durante años, lo que nos permite observar este tema mucho mejor que nunca antes".
En una célula humana típica, una molécula de proteína típica tarda sólo de 10 a 15 segundos en serpentear de un lado de la célula al otro mediante difusión; En una pequeña célula bacteriana, este viaje puede ocurrir en tan solo un segundo. Pero en los óvulos de la mosca de la fruta estudiados aquí, la difusión sola tomaría un día entero, demasiado tiempo para que la célula funcione correctamente. En cambio, estos óvulos han desarrollado 'flujos de tornados' que circulan alrededor del interior del ovocito para distribuir proteínas y nutrientes rápidamente, del mismo modo que un tornado puede recoger y mover material mucho más lejos y más rápido que el viento solo.
"Después de ser fertilizado, el ovocito se convertirá en el futuro animal", dice el coautor del estudio Sayantan Dutta, investigador de Princeton y el CCB. "Si se destruye el flujo en el ovocito, el embrión resultante no se desarrolla."
Los investigadores utilizaron un paquete de software de biofísica avanzado de código abierto llamado SkellySim desarrollado por investigadores del Instituto Flatiron.
Con SkellySim, modelaron los componentes celulares involucrados en la creación de los tornados. Estos incluyen microtúbulos (filamentos flexibles que recubren el interior de una célula) y motores moleculares, que son proteínas especializadas que sirven como caballos de batalla celulares y transportan grupos especiales de moléculas conocidas como cargas útiles. Los científicos no están exactamente seguros de qué están hechas estas cargas útiles, pero desempeñan un papel clave en la generación de los flujos.
Los investigadores simularon el movimiento de miles de microtúbulos mientras respondían a las fuerzas ejercidas por motores moleculares que transportaban carga útil. Al ir y venir entre experimentos y sus simulaciones, los investigadores pudieron comprender la estructura de los flujos de tornados y cómo surgieron de la interacción entre el fluido celular y los microtúbulos.
"Nuestro trabajo teórico nos permite acercarnos y medir y visualizar estos tornados en 3D", dice el coautor del estudio y científico investigador del CCB, Reza Farhadifar. "Vimos cómo estos microtúbulos pueden generar flujos a gran escala simplemente mediante la autoorganización, sin ninguna señal externa".
Más información: Sayantan Dutta et al, Tornados intracelulares autoorganizados, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02372-1
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Fundación Simons
