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BIOFÍSICA

Fronteras fluidas

Las propiedades elásticas de la membrana celular varían según el tipo y la función de la célula

Captura: una célula de defensa denominada macrófago (amarillo) emite prolongaciones y envuelve a un eritrocito antes de digerirlo

NIBSC/ SCIENCE PHOTO LIBRARYCaptura: una célula de defensa denominada macrófago (amarillo) emite prolongaciones y envuelve a un eritrocito antes de digerirlo NIBSC/ SCIENCE PHOTO LIBRARY

Cada célula del organismo es similar a una metrópolis bulliciosa donde, en lugar de automóviles y gente, circulan continuamente moléculas y estructuras de varios tipos y tamaños, esenciales para mantenerla viva. Todo ese ajetreo, a veces frenético, ocurre en un espacio limitado, definido por una estructura extremadamente delgada y maleable: la membrana celular. Ese revestimiento de las células, que está formado por una doble capa de lípidos, un tipo de grasa que le otorga la viscosidad de un aceite refinado y lo torna relativamente fluido, contiene proteínas incrustadas por doquier. En los últimos años se viene comprendiendo que esa membrana, de aspecto frágil vista bajo el microscopio, desempeña funciones bastante más complejas que la mera separación del contenido interno del medio externo de las células.

“La membrana es mucho más que el envoltorio del contenido celular”, resume el biólogo Bruno Pontes, investigador de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ). Actualmente en una etapa de posdoctorado en el Instituto de Mecanobiología de la Universidad Nacional de Singapur, en el Sudeste Asiático, Pontes es integrante de un equipo en Río de Janeiro que investiga las características físicas de la membrana celular y que recientemente midió, con inédito nivel de precisión, sus propiedades elásticas.

El grupo de la UFRJ, coordinado por el físico Herch Moysés Nussenzveig, conocido internacionalmente por sus estudios en óptica, incluye biólogos, matemáticos, además, por supuesto, de físicos. En una serie de test realizados durante los últimos años, los científicos utilizaron un haz de luz láser bastante concentrado para manipular en el laboratorio la membrana de las células cerebrales, de la sangre y de otros tejidos. Con la ayuda de esa herramienta denominada pinza óptica ‒en el punto de mayor concentración, el láser induce la aparición de dipolos eléctricos que permiten atraer y mover objetos microscópicos y, por ejemplo, manipular células vivas sin dañarlas‒, ellos constataron que los distintos tipos de células presentan membranas con diferentes propiedades elásticas.

En experimentos bastante delicados, Pontes usó el láser de la pinza para sujetar esferas microscópicas de un material plástico e inmediatamente adherirlas en diferentes puntos de la membrana de las células. Segundos más tarde, empujaba cada una de las esferas a una velocidad constante hasta formar un tubo alargado de membrana: la fuerza necesaria para estirarla y formar un tubo ronda las decenas de piconewtons, algunos billonésimos de la fuerza que la gravedad ejerce sobre una manzana.

Midiendo el radio del tubo y la fuerza necesaria para formarlo, fue posible obtener las dos magnitudes físicas que determinan la elasticidad de la membrana: la tensión superficial (la resistencia a romperse) y la rigidez de curvatura (la resistencia a doblarse). En algunos casos, la elasticidad de la membrana varió tanto entre un tipo de célula y otro que, según Nussenzveig, “salta a la vista que debe existir una relación directa entre las propiedades de la membrana y la función que la célula desempeña en el organismo”.

Las neuronas, las células más abundantes en el cerebro, responsables del almacenamiento y de la transmisión de informaciones, también fueron aquéllas con la membrana más flexible entre los cinco tipos de células estudiados. Con un formato bastante singular, la neurona posee un sector más voluminoso, el cuerpo celular, donde se encuentra el núcleo, y otro compuesto por prolongaciones más delgadas y alargadas, los axones o dendritas, por donde se transmiten los impulsos eléctricos hasta llegar a la neurona siguiente. En el cerebro, una neurona se conecta con otras por medio de esas extensiones que pueden remodelarse constantemente. Como conservan esa plasticidad y son bastante asimétricas, tiene sentido, a juicio del grupo de la UFRJ, que su membrana sea más maleable.

El segundo puesto en esta especie de escalafón de la flexibilidad lo ocuparon los astrocitos, según los resultados que publicaron los investigadores en julio de este año en la revista PLOS ONE. Los astrocitos tienen la apariencia de estrellas y son el segundo tipo de célula más abundante en el cerebro, donde desempeñan la función esencial de nutrir a las neuronas y regular la formación de sinapsis, esto es, las conexiones entre una y otra neurona.

Curiosamente, la célula cerebral con membrana más rígida también es la que generalmente es más activa y también capaz de sufrir más deformaciones: la microglía. Similar al astrocito, pero con prolongaciones  más extensas, la microglía es la principal célula de defensa del sistema nervioso central. Con esas prolongaciones, ella sondea el entorno todo el tiempo, en busca de células enfermas y de agentes infecciosos. Cuando los detecta, emite prolongaciones y los engloba para inmediatamente destruirlos, en un proceso denominado fagocitosis.

Los científicos deducen que es lógico que las propiedades físicas de la membrana varíen según el tipo de célula. Al fin y al cabo, células diferentes desempeñan en el organismo funciones distintas. “La membrana conecta el interior de la célula con el medio externo, permitiendo la interacción entre ambos”, recuerda el físico, coordinador del Laboratorio de Pinzas Ópticas de la UFRJ. “La membrana también detecta señales químicas y estímulos mecánicos del entorno y los transmite hacia el interior de la célula. Simultáneamente, sirve como plataforma para que la célula emita señales para el resto del organismo, indicando, por ejemplo, la necesidad de producir anticuerpos. Además, le confiere la forma a la célula y también se deforma, permitiéndole desplazarse por medio de la emisión de apéndices”, concluyó.

En los experimentos realizados en la UFRJ, Pontes y otros investigadores del equipo de Nussenzveig también comprobaron que la membrana de la microglía presenta las mismas propiedades elásticas de la membrana de otras células de defensa: los macrófagos, que se generan en la médula de los huesos y son lanzados al torrente sanguíneo, y donde se diseminan por el cuerpo (con excepción del sistema nervioso central). De manera similar a la microglía, los macrófagos también realizan fagocitosis, emitiendo prolongaciones que identifican, engullen y destruyen tanto células viejas como agentes infecciosos y partículas extrañas al organismo.

050-053_Citoesqueleto_213-02Para el grupo de la UFRJ, un origen embrionario común podría ser la explicación para el hecho de que la membrana de los macrófagos y de las microglías compartan las mismas propiedades elásticas. Ambas células provienen del mesodermo, una de las tres capas de células que forman el embrión en sus etapas iniciales (el resto de las células del sistema nervioso central se originan en el ectodermo). Y conservan varias características en común, aunque migren hacia regiones diferentes del cuerpo durante el desarrollo: la microglía se dirige hacia el sistema nervioso central, mientras que el macrófago circula por los tejidos periféricos.

“Son como hermanos que se criaron juntos en la infancia y luego, de adultos, van a vivir a países distintos”, compara Pontes. “Conservan muchas características comunes, aunque vivan separadas en contextos diferentes”. Nussenzveig recuerda que, tanto la microglía como el macrófago deben soportar fuerzas intensas y una gran deformación en sus superficies durante la fagocitosis, lo cual justificaría que poseyeran membranas más resistentes.

No obstante, esa rigidez no es permanente. Es alrededor de cuatro veces superior a la de la membrana de las neuronas cuando la microglía y el macrófago se encuentran inactivos, en estado de reposo. Y decrece a alrededor de la mitad de la inicial cuando esas células de defensa son activadas.

Los investigadores registraron ese aumento en la flexibilidad cuando trataron a los macrófagos y microglías con compuestos que se encuentran en las paredes de bacterias. Esos compuestos despiertan a las células defensivas y las activan. “La disminución de la rigidez de curvatura les facilita a esas células doblarse y emitir prolongaciones, preparándose para fagocitar”, explica Nussenzveig.

La similitud hallada entre macrófagos y microglías también se observó entre astrocitos y células de glioblastoma, un tipo devastador de tumor cerebral que se produce debido a la proliferación descontrolada de astrocitos. “Todavía no conocemos los detalles acerca de cómo tales propiedades afectan en la función de una célula”, dice Pontes. “Pero el hecho de que las constantes elásticas se modifiquen de acuerdo con el entorno y el estado en que se encuentra la célula ciertamente ejerce alguna influencia sobre su desempeño”, comenta el biólogo, quien trabaja en Singapur junto con el equipo de Nils Gauthier intentando comprender mejor cómo esas propiedades elásticas de la membrana podrían orquestar una serie de fenómenos en el interior de la célula.

“Esos son indicios bastante consistentes de que las propiedades elásticas de la membrana conservan una relación directa con la función de la célula en el organismo”, dice Nussenzveig. En el trabajo publicado en la revista PLOS ONE, el equipo de la UFRJ también demostró que la flexibilidad de la membrana no depende solamente de los lípidos que la constituyen. Lo que determina en gran medida su rigidez es el denominado citoesqueleto de actina: una red difusa de filamentos de la proteína actina que se distribuyen por el interior de la célula y se unen con las proteínas aprisionadas en la membrana.

Antes de ese trabajo, se creía que los tubos de membrana que se forman cuando se manipula a la célula con una pinza óptica estaban constituidos por membrana pura, o sea, casi exclusivamente por lípidos. El grupo de la UFRJ demostró que, al presionar la membrana, junto con los lípidos, también se arrastra el citoesqueleto. Anteriores observaciones, realizadas por el grupo de Michel Sheetz, director del Instituto de Mecanobiología en Singapur, donde Pontes realiza su posdoctorado desde el comienzo del año, no tenían en cuenta la influencia de esa red de fibras proteicas. Tal situación, según los investigadores de la UFRJ, no condice con la realidad. “Una célula con membrana pura, desacoplada del citoesqueleto, no existe, pues sería muy inestable”, explica Nussenzveig. “En la célula, la membrana queda anclada a una especie de alfombra de actina, la corteza, que le confiere mayor rigidez”.

Su grupo también verificó que la membrana de las células es decenas de veces más resistente de lo que se pensaba. Especialista en óptica y fundador del Laboratorio de Pinzas Ópticas de la UFRJ, él y los físicos Nathan Bessa Viana y Paulo Américo Maia Neto notaron que, de una manera general, las pinzas ópticas ‒que consisten en un sistema láser acoplado a un microscopio‒ sufrían una especie de defecto de visión, que interfería en las mediciones. Ese defecto es una aberración óptica denominada astigmatismo, una alteración en el enfoque del láser que disminuye la fuerza que el mismo es capaz de ejercer. Luego de estudiar el tema durante 13 años, el equipo de la UFRJ afirma que identificó la causa del problema y halló una forma para corregirlo. “El trabajo que describe tales correcciones ya fue remitido y será publicado pronto”, comenta Nussenzveig.

“Finalmente la pinza ha sido completamente entendida a partir de sus principales principios”, dice el físico. Así, él considera que su grupo ha logrado un control completo sobre la pinza y cómo aumentar su nivel de captura. “Antes de nuestros trabajos, la calibración se hacía de manera indirecta, comparando con una fuerza hidrodinámica, provocada por el roce entre la microesfera plástica y el fluido”, comenta. Como consecuencia de esa calibración menos precisa del instrumental, surgían grandes diferencias, del orden de hasta 10 veces, en las mediciones realizadas por distintos laboratorios. “Nuestro grupo es el único que por ahora ha logrado la calibración absoluta y nuestros resultados son confiables dentro de la precisión que puede alcanzarse en biología celular”, sostiene Nussenzveig, quien, a sus 80 años, sigue entusiasmado con sus investigaciones y sabe que aún se halla lejos de obtener un modelo físico de la membrana celular. “Hay teorías que apuntan a hallar analogías con materiales que ya conocemos para describir el funcionamiento de la membrana celular”, relata. “Pero son rudimentarias. No basta con tratar a los materiales como sistemas inertes, pasivos. Se necesita tener en cuenta las reacciones de la célula como un sistema vivo”.

Artículo científico
PONTES, B. et al. Membrane elastic properties and cell function. PLOS ONE. 3 de jul. 2013.

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