Bajo un microscopio, el citoplasma de una célula puede parecerse a una pequeña versión subacuática del Times Square de Nueva York: miles de proteínas pululan a través del ambiente acuoso de un citoplasma, uniéndose y rompiéndose como un flash mob del citoesqueleto.
Los orgánulos como las mitocondrias y los lisosomas deben atravesar este espacio citoplasmático abarrotado y en constante cambio para entregar materiales a varias partes de una célula.
Ahora los ingenieros del MIT han descubierto que estos orgánulos y otros componentes intracelulares pueden experimentar el citoplasma circundante como entornos muy diferentes a medida que viajan. Por ejemplo, el núcleo de una célula puede "sentir" el citoplasma como un material fluido similar a la miel, mientras quelas mitocondrias pueden experimentarlo más como pasta de dientes.
El equipo, dirigido por Ming Guo, el profesor asistente de desarrollo profesional Brit and Alex d'Arbeloff en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, descubrió que un orgánulo siente cierta resistencia en el citoplasma, dependiendo del tamaño de ese orgánulo y la velocidad a la que sese mueve a través de una célula. En particular, estas características determinan la facilidad con la que puede empujar contra el agua circundante del citoplasma y moverse a través de su red cambiante de estructuras de proteínas del citoesqueleto ".
Ciertos orgánulos pueden tener que trabajar más duro para atravesar el citoplasma y, por lo tanto, pueden sentir más resistencia. Los investigadores encontraron que la resistencia que cualquier organelo mayor puede sentir varía desde la de un fluido viscoso hasta un sólido elástico y gomoso.
Guo y sus colegas han elaborado un diagrama de fases para describir el tipo de material al que se asemejaría un citoplasma, desde la perspectiva de un orgánulo, dado el tamaño y la velocidad del orgánulo.
"Nuestro objetivo principal era proporcionar la comprensión más fundamental de las células vivas como material", dice Guo. "Con este diagrama de fase, siempre que me diga el tamaño y la velocidad a la que se mueve un orgánulo, puedo decirlequé ambiente mecánico ve "
Los resultados, publicados esta semana en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias puede ayudar a guiar los diseños farmacéuticos. Por ejemplo, con el diagrama de fase del equipo, los científicos pueden adaptar el tamaño de un medicamento para que pueda viajar dentro de una célula con cierta facilidad.
"Un medicamento con un diámetro de 100 nanómetros sentirá una resistencia muy diferente a algo que tiene 500 nanómetros de ancho", dice Guo. "Esto puede ser una guía para comprender cómo se entrega y transporta un medicamento dentro de una célula".
El autor principal del estudio es Jiliang Hu, un ex estudiante visitante en el MIT, que se unirá al laboratorio de Guo como estudiante graduado este otoño. Otros coautores incluyen a Yulong Han, un postdoc en el laboratorio de Guo; y Alan Grodzinsky, profesor de biologíaingeniería, ingeniería eléctrica e informática, e ingeniería mecánica en el MIT; junto con Somaye Jafari y Shengqiang Cai en la Universidad de California en San Diego.
Qué arrastre
La mayoría de los científicos que estudian el transporte de materiales dentro de una célula se han centrado en los impulsores de ese transporte, a saber, motores moleculares, una familia de agentes biológicos que convierten activamente la energía de una célula en trabajo mecánico para mover la carga a través de una célula.
"Pero como ingenieros mecánicos, creemos que la fuerza impulsora no es la única parte de este proceso de transporte, sino que la resistencia del material circundante es realmente igualmente importante", dice Guo. "Por ejemplo, no es solo su propia energía lo quedetermina cómo te mueves a través de una multitud: la resistencia mecánica de la multitud también puede afectar tu movimiento "
En el caso de las células vivas, Guo se preguntó si el citoplasma circundante tendría un efecto de hacinamiento similar en el movimiento de los principales orgánulos, como las mitocondrias y los lisosomas.
Para probar su hipótesis, él y sus colegas llevaron a cabo experimentos en células de mamíferos vivos, en las cuales inyectaron pequeñas cuentas de plástico de 0.5 a 1.5 micras, un rango que cubre la mayoría de los organelos principales. Luego arrastraron cada cuenta a través deuna celda que usa pinzas ópticas, una técnica que emplea un rayo láser altamente enfocado para mover físicamente objetos microscópicos.
Los investigadores atraparon y tiraron de cada cordón hacia el borde de la celda a una velocidad constante y midieron la fuerza requerida para arrastrar el cordón una cierta distancia. Interpretaron esa fuerza como la resistencia mecánica del citoplasma circundante.
Luego asumieron que la resistencia mecánica de un citoplasma proviene de dos fuentes principales: la poroelasticidad y la viscoelasticidad. La poroelasticidad se origina en la rapidez con que el citoplasma puede difundir el agua fuera de una región. El grupo razonó que cuanto más citoplasma poroelástico es, más esfuerzo se hace un objetocomo un orgánulo necesita hacer para empujar el agua fuera de su camino.
La viscoelasticidad, en el contexto del citoplasma, es la rapidez con la que su citoesqueleto, o red de proteínas, cambia la configuración. El citoesqueleto de una célula sirve como una especie de armazón, hecho de miles de proteínas que se ensamblan, desmontan y vuelven a ensamblar constantemente.la red dinámica puede sentirse como un sólido elástico y un fluido viscoso. Cuanto más rápido se reorganiza un citoesqueleto, más fluido es. Los investigadores razonaron que un orgánulo sentiría menos resistencia al moverse a través de un fluido más parecido, cambiando con frecuenciacitoesqueleto
Se trata de perspectiva
Guo y sus colegas analizaron sus resultados experimentales y descubrieron que el tamaño y la velocidad de una cuenta se relacionaban con el tipo de resistencia que encontraba cuando era arrastrada a través de una celda. En general, cuanto más grandes eran las cuentas, más se encontraban con el material poroelásticoresistencia, ya que las cuentas grandes con mayor área de superficie tienen que empujar contra más agua para moverse.
Por otro lado, cuanto más rápido se arrastraba un cordón, más se encontraba con una resistencia sólida. Como Guo lo explica, "cuanto más rápido te mueves, más estructuras [citoesqueléticas] permanentes verías y sentirías resistencia a"
Los investigadores elaboraron su diagrama de fase basado en sus resultados experimentales. Luego buscaron en la literatura científica medidas de velocidad y tamaño, hechas por otros, de orgánulos reales en células vivas. Trazaron estas medidas en el diagrama y descubrieron que,Dado su tamaño y velocidad, estos orgánulos deben experimentar una gama de resistencias dentro del citoplasma.
"Si le preguntas a un núcleo, te dirán que el citoplasma es como la miel, porque son realmente grandes y lentos, y no sienten estructuras del citoesqueleto, solo sienten la solución de proteína viscosa desmontada y tienen muy pocaresistencia ", dice Guo." Pero las mitocondrias dirían que es como una pasta de dientes, porque son más pequeñas y más rápidas, y a veces están bloqueadas por estas estructuras que cambian constantemente. Un lisosoma, que es aún más pequeño y más rápido, te diría que el citoplasma es en realidad gelatina-O, debido a que se mueven muy rápido, constantemente rebotan en estas estructuras y se encuentran con resistencia, como el caucho. Por lo tanto, sus puntos de vista están limitados por su propio tamaño y velocidad ".
Guo espera que los científicos usen el diagrama de fase del grupo para caracterizar otros componentes celulares, para comprender cómo ven su entorno citoplasmático.
"Las personas pueden usar otros parámetros para averiguar a qué sección del diagrama de fases deben pertenecer los diferentes orgánulos", dice Guo. "Esto le dirá qué tipo de material distinto sentirían".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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