En biología estructural, molecular y celular, el diminuto organismo unicelular Tetrahymena continúa siendo esencial para descubrimientos innovadores en estas áreas debido a su capacidad para ser manipulado genéticamente, deconstruido bioquímicamente e inspeccionado visualmente. Ahora, investigadores estadounidenses han desvelado que respira oxígeno para generar energía celular de manera diferente a como lo hacen las plantas, animales o levaduras.
En un trabajo publicado en Science, la doctora Maria Maldonado, reconocida especialista en el Departamento de Biología Molecular y Celular de la Universidad de California, en Davis, pone en valor las novedosas herramientas de microscopía electrónica criogénica que han hecho posible este hallazgo, mientras ha iniciado los trámites para patentarlo.
La divergencia evolutiva de Tetrahymena con respecto a los organismos modelo más comúnmente estudiados -reconocen los expertos- y el hecho de que conserva la mayor parte de la biología celular heredada del último ancestro común eucariota es una gran ventaja como sistema modelo para los investigadores.
Dentro del contexto de su inusual ciclo de vida, las manipulaciones génicas y moleculares que son imposibles en otros organismos permiten a Tetrahymena revelar procesos celulares universalmente conservados. Aprovechar esta cualidad única sigue siendo la base de la utilidad de Tetrahymena para los biólogos estructurales.
Como recuerda en su estudio experimental la doctora Maldonado, Tetrahymena es un género de organismos unicelulares de vida libre que, generalmente, “se encuentran nadando tranquilamente alrededor de los estanques golpeando su capa de pequeños pelos o cilios. Como nosotros, son eucariotas, con su material genético en un núcleo. Pertenecen a un grupo grande y diverso de organismos llamado supergrupo SAR. Con algunas excepciones, como el parásito de la malaria Plasmodium, el SAR se ha estudiado poco”.
‘Tetrahymena’ consume oxígeno
Al igual que los demás eucariotas y algunas bacterias, Tetrahymena consume oxígeno para generar energía a través de la respiración, subraya el profesor James Letts, miembro del equipo.
El profesor Letts explica que el oxígeno entra al final de la serie de reacciones químicas involucradas en la respiración. Los electrones pasan a través de una cadena de proteínas situadas en estructuras de la membrana interna de la mitocondria. Esto impulsa la formación de agua a partir de átomos de oxígeno e hidrógeno, bombeando protones a través de la membrana que, a su vez, impulsa la formación de ATP, una reserva de energía química para la célula. Esta cadena de transporte de electrones es fundamental para la respiración basada en oxígeno en humanos y otros eucariotas.
Según Letts, en las décadas de los años setenta y ochenta del siglo pasado, los científicos descubrieron que su proteína transportadora de electrones, el citocromo c, y la enzima que consume oxígeno al final de la cadena, la oxidasa terminal, funcionan de manera diferente a las de las plantas y los animales. Hasta ahora, no estaba claro exactamente cómo o por qué estas enzimas diferían en Tetrahymena cuando se conservaron en otros eucariotas estudiados.
Ahora, Maldonado y su equipo utilizaron nuevos enfoques en biología estructural para descubrir la cadena de transporte de electrones de Tetrahymena, entre ellos un enfoque de proteómica estructural con microscopía electrónica criogénica. Así determinaron, al mismo tiempo, las estructuras de un gran número de proteínas en una muestra mixta.
La microscopía crioelectrónica congela las muestras a temperaturas extremadamente bajas, creando imágenes con una resolución casi atómica. En lugar de obtener imágenes de una sola proteína purificada, este equipo de investigadores trabajó con muestras mixtas aisladas de membranas mitocondriales y luego utilizó un algoritmo para reconocer estructuras relacionadas.
Cadena de transporte
Como detallan en su estudio, de esta escanearon cientos de miles de imágenes de proteínas e identificaron las estructuras de 277 proteínas, en tres grandes conjuntos, que representan la cadena de transporte de electrones de Tetrahymena con una resolución casi atómica.
Algunas de estas proteínas no tienen un gen coincidente en la base de datos conocida del genoma de Tetrahymena, lo que demuestra que debe haber lagunas en el genoma de referencia disponible.
Parte del estudio se llevó a cabo con ayuda de microscopios crioelectrónicos en las instalaciones centrales de BioEM, en la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de California, en Davis. Otros autores del estudio son Abhilash Padavannil y Fei Guo, ambos de ese campus, así como Long Zhou que ahora trabaja en la Universidad de Zhejiang, en Hangzhou (China).
Es apropiado recordar ahora que, hace menos de dos años, en un trabajo difundido por eLife, la doctora Maldonado y el profesor Letts consiguieron la primera estructura 3D a nivel atómico del complejo proteico más grande (complejo I), involucrado en la cadena de transporte de electrones mitocondrial de la planta.
Entonces, esta investigadora puntualizaba que “para los mamíferos o la levadura, tenemos estructuras de mayor resolución de toda la cadena de transporte de electrones e incluso supercomplejos, que son complejos de complejos, pero para las plantas ha sido, hasta hoy, una caja negra”. Descubrir la estructura y la funcionalidad de estos complejos de proteínas vegetales ayudará a los científicos a mejorar la agricultura y también diseñar mejores pesticidas.
Contribuciones de ‘Tetrahymena’
Ya para terminar, Tetrahymena tiene una larga y distinguida historia en el hallazgo de paradigmas biológicos, comenzando con el descubrimiento del primer motor de microtúbulos, la dineína (Gibbons y Rowe 1965).
Otros incluyen los descubrimientos ganadores del Premio Nobel del ARN catalítico (Kruger et al. 1982) y la estructura de los telómeros y la telomerasa (Greider y Blackburn 1985).
La primera enzima modificadora de histonas (histona acetil transferasa) y su función como factor de transcripción se descubrieron en Tetrahymena (Brownell et al. 1996), que dio origen al código de histonas y al campo del control epigenético de la expresión génica por modificación de la cromatina.
El papel de los pequeños ARN de interferencia en la formación de heterocromatina y la escisión masiva y programada del ADN relacionado con el transposón del genoma somático (Mochizuki et al. 2002; Taverna et al. 2002), es otra contribución importante de Tetrahymena.
Como subrayan Marisa D. Ruehle, Eduardo Orias y Chad G. Pearson, de las universidades de Colorado y de California en su trabajo difundido por Genetics en 2016, estos descubrimientos fundamentales en Tetrahymena han ayudado a marcar el comienzo de la era moderna de la biología molecular y celular.
Muchas de las razones por las que Tetrahymena fue un sistema ventajoso para estos descubrimientos revolucionarios son las mismas que hacen que sea útil hoy y en el futuro, aumentado por el conjunto de herramientas en constante expansión disponible para los investigadores.
