Instantáneas de una simulación de dinámica molecular de una única partícula de toxina shigella que se une a sus socios lipídicos en la membrana de la vesícula (vistas lateral y superior). Crédito:Julian Shillcock / EPFL
Las bacterias que causan la enfermedad intestinal por shigella utilizan una toxina que explota una fuerza física en la membrana de las células. Aunque es difícil de bloquear, es posible luchar con nanopartículas explotando la misma fuerza.
Una gran cantidad de enfermedades son el resultado de infecciones bacterianas y víricas. Estos patógenos ingresan a las células del cuerpo a través de varias rutas. Un nuevo estudio dirigido conjuntamente por EPFL ahora informa el descubrimiento de una ruta de infección previamente desconocida utilizada por las bacterias que causan la shigelosis. una enfermedad infecciosa intestinal caracterizada por diarrea sanguinolenta. En el mecanismo recién descubierto, la bacteria Shigella explota una fuerza genérica creada por las fluctuaciones de la propia membrana plasmática de la célula. El trabajo está publicado en ACS Nano .
El estudio fue realizado por John Ipsen en la Universidad del Sur de Dinamarca, Ludger Johannes en el Institut Curie en Francia y Julian Shillcock en EPFL.
Normalmente, las células regulan la entrada de material extraño de forma muy estricta, para prevenir invasiones de patógenos como bacterias y virus. Como resultado, los invasores han desarrollado varios mecanismos para superar las barreras y lograr la entrada a las células.
Por ejemplo, una ruta implica secuestrar la propia maquinaria de la célula y engañarla para que internalice el virus o la bacteria dentro de una vesícula que la propia célula produce. Este proceso, que es una de las formas habituales en que las células absorben moléculas grandes, se llama "endocitosis".
Los científicos utilizaron varios sistemas de vesículas y simulaciones por computadora para estudiar un mecanismo de invasión bacteriana que parece tener algunas propiedades únicas. Se utiliza el mecanismo, entre otros, por las bacterias que causan la shigella y que producen una pequeña, proteína rígida llamada toxina Shiga.
Ilustración de una simulación de dinámica de partículas disipativas que muestra dos toxinas fuertemente unidas por la fuerza similar a Casimir. Crédito:Julian Shillcock / EPFL
El estudio encontró que las partículas de toxina Shiga se unen fuertemente a ciertos lípidos, o grasas, en la superficie de la membrana de la célula a invadir. Luego comienzan a formar grupos en la membrana, que hacen que la membrana se curve hacia adentro, creando invaginaciones en forma de tubo, a través del cual las partículas de toxina ingresan a la célula. Una vez dentro, las toxinas Shiga modifican el mecanismo genético de la célula, y ha comenzado la infección.
Pero el mayor descubrimiento fue que la toxina en realidad explota un genérico, fuerza física en la membrana celular para producir las invaginaciones. Esto se llama la "fuerza de Casimir" y se describió por primera vez como una fuerza teórica que actúa entre dos cargados, paralelo, superficies conductoras.
En términos de biología, Se cree que la fuerza de Casimir actúa entre las proteínas unidas a la membrana en las células, existiendo en todas las membranas celulares biológicas fluidas y surgiendo solo cuando el patógeno se une fuertemente a la superficie de la membrana.
Los investigadores proponen que la bacteria Shigella, y otros patógenos, han evolucionado para aprovechar la fuerza de Casimir que surge de la membrana plasmática fluctuante para infectar las células. Además, porque las grasas a las que se une la toxina son utilizadas por la célula para sus propias operaciones, no se puede bloquear la entrada de la toxina Shiga sin deshabilitar o modificar las funciones normales de la célula.
Nanopartículas para la administración de fármacos
Pero debido a que se cree que la fuerza de Casimir surge para cualquier nanopartícula fuertemente unida en la superficie de la membrana celular, existe la posibilidad de producir una novela, Vía basada en nanopartículas para la administración de fármacos. Primero, tendríamos que unir las nanopartículas firmemente a la superficie de la célula donde se agruparán. Segundo, las nanopartículas también deben aumentar ligeramente la curvatura de la membrana celular para aprovechar la fuerza de Casimir y obtener la entrada en la célula. Una vez dentro, pueden comenzar a hacer beneficiosos, cambios defensivos en el comportamiento de la célula.
"Donde la naturaleza ha llevado a idear un medio para que los patógenos infecten las células, pueden seguir nanopartículas fabricadas para tratar la disfunción celular, "dice Julian Shillcock.
