Los expertos no han podido explicar por qué las células, desde las bacterias hasta los humanos, filtran los químicos esenciales necesarios para el crecimiento en su entorno. Nuevos modelos matemáticos revelan que los metabolitos que se escapan sustancias involucradas en los procesos químicos para mantener la vida con la producción de moléculas complejas y energía- Puede proporcionar a las células beneficios egoístas y desinteresados.
Anteriormente, los biólogos solo podían decir que la fuga es una propiedad inherente de las membranas celulares causada por las reglas fundamentales de la química.
"La filtración de las membranas está en la naturaleza, pero si la filtración no es deseable, ¿por qué la evolución no la ha detenido? Esta pregunta de '¿Por qué?' Nunca se resolvió", dijo el profesor Kunihiko Kaneko, un experto en biología teórica de la Universidaddel Centro de Investigación de Tokio para Biología de Sistemas Complejos.
El equipo de investigación utilizó cálculos que pueden medir los cambios de múltiples factores a lo largo del tiempo, llamados modelos de sistemas dinámicos, en combinación con simulaciones por computadora. En este modelo, los investigadores consideraron los procesos no lineales para el crecimiento celular donde una célula toma nutrientes externosy los convierte en cuerpo celular y energía mediante reacciones químicas intracelulares, representando el estado celular como las concentraciones de productos químicos intracelulares que incluyen nutrientes, enzimas y componentes para sintetizar el cuerpo celular. Todos los cálculos suponían que las células modelo estaban en un estado estable de crecimientodonde su metabolismo interno y la concentración relativa de productos químicos dentro de las células eran todos estables.
Los cálculos fueron diseñados para identificar qué tipos de rutas de síntesis química serían más eficientes si algunos de sus componentes se filtraran al medio ambiente. Los modelos matemáticos de las rutas de síntesis química son más simples que las rutas complejas de ramificación en las células vivas, pero permiten a los investigadorespara buscar patrones fundamentales.
Los investigadores identificaron dos de estas rutas químicas modelo con reacciones catalíticas que utilizan enzimas para mejorar la velocidad de reacción, que denominan mecanismos de "control de flujo" y "dilución de crecimiento". En ambos mecanismos, se pierde un componente químico esencial de la ruta aguas arribapermite que el producto final se produzca de manera más eficiente. Por lo tanto, las fugas son algo que las células hacen para mejorar egoístamente su propio crecimiento.
"En teoría, el mecanismo de control de flujo mejora la vía para la síntesis de biomasa por la fuga de un químico esencial en una vía de ramificación alternativa, mientras que el mecanismo de dilución del crecimiento mejora la síntesis de biomasa por la fuga de los precursores de la biomasa p. Ej.,aminoácidos esenciales para el crecimiento celular. Estos son el resultado del equilibrio entre las reacciones químicas y la dilución de la concentración asociada con el crecimiento del volumen celular ", dijo Jumpei Yamagishi, un estudiante graduado de primer año que ha trabajado en el laboratorio de Kaneko desde sus años universitarios.
Los modelos que el equipo de investigación ha creado hasta ahora solo consideran un tipo de célula a la vez. Sin embargo, la filtración de componentes aguas arriba podría convertirse en un problema para las células que viven solo con tipos idénticos de células que filtran los mismos componentes.
"En muchos casos, si todas las células tienen fugas de la misma molécula, su entorno se 'contaminará'. Pero si varios tipos de células viven juntas, entonces pueden filtrar una sustancia química y usar una sustancia química diferente filtrada por las otras", dijoKaneko.
Este intercambio mutuamente beneficioso de nutrientes esenciales filtrados puede ser una forma desinteresada de mejorar el crecimiento de toda la comunidad de células.
"Nuestro trabajo puede responder parcialmente por qué el entorno natural es tan diferente de las condiciones de laboratorio artificial donde las bacterias crecen en monocultivos puros, pero necesitaremos modelos adicionales para estar seguros", dijo Yamagishi.
Los investigadores planean diseñar cálculos matemáticos más complejos para simular mejor las condiciones naturales donde coexisten múltiples tipos de células para ver si eso revela otros tipos de vías de síntesis que se benefician de las fugas.
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Materiales proporcionado por Universidad de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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