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Buenos Aires » Infobae
Fecha: 14/01/2025 02:59
La división celular bacteriana puede depender de la duplicación del ADN o del crecimiento desde el nacimiento (DAVID DORWARD/NIAID) *Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel. Las células bacterianas no se despiertan una mañana y deciden convertirse en madres. Pero hay un momento en su ciclo celular –después de crecer lo suficiente y replicar sus genomas– en el que se dividen en dos, creando nuevas células que luego repiten el proceso. ¿Qué le dice a la bacteria que es hora de separarse? Los científicos han estado divididos al respecto. En los últimos años, al intentar descubrir las señales biológicas que determinan cuándo se dividirá una bacteria, los científicos han recurrido a una tecnología desarrollada recientemente que les permite rastrear los ciclos de vida de una sola célula bacteriana y de toda su descendencia durante cientos de generaciones. El problema es que los experimentos que utilizaban este sistema producían modelos contradictorios, cada uno de los cuales atribuía el momento de la división celular a un factor diferente. En un estudio, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), un equipo dirigido por investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias utilizó el razonamiento estadístico para revelar qué modelo de división celular es el más plausible. Este método tiene la ventaja de ir directamente al tema en cuestión (identificar el factor causal de la división) sin tener que exponer los mecanismos biológicos exactos implicados. El experimento se realizó con canales microfluídicos de 1 micrón de ancho en los que se cultivaron bacterias E. coli marcadas con marcadores fluorescentes y se las siguió durante varias generaciones. El marcado permitió seguir eventos importantes en su ciclo celular a nivel de células individuales (Gentileza: Instituto Weizmann) En investigaciones anteriores, los científicos que estudiaban la división de las células bacterianas habían observado que las células crecían exactamente en el mismo volumen desde el momento de la duplicación del ADN hasta el de la división celular. De ahí que dedujeran que los procesos que indican a la célula que debe dividirse en dos comienzan durante la etapa en la que se duplica el material genético. Sin embargo, los estudios también demostraron que las células crecen exactamente en el mismo volumen desde el momento de su nacimiento hasta el momento de la división. Esta observación condujo al desarrollo de un modelo contradictorio, en el que la cuenta atrás para la división celular comienza en el nacimiento de la célula. Según este enfoque, una proteína reguladora comienza a acumularse en las células desde el principio, haciendo que suene una especie de despertador cuando los niveles de esta proteína alcanzan un cierto punto. Para resolver esta contradicción, un tercer modelo combinó los dos, proponiendo la participación tanto de una proteína reguladora como de la replicación genética. En crecimiento lento, la división celular de bacterias depende de la duplicación del ADN, en rápido, se combinan múltiples procesos (Imagen Ilustrativa Infobae) Todos estos modelos se basaban en la correlación: los científicos observaron que los límites de crecimiento en ciertas partes del ciclo de las células bacterianas parecían estar sincronizados con la división celular. Pero, como cualquier estudiante de ciencias de primer año puede decirte, la correlación no es causalidad. Es decir, la acumulación de proteínas o la replicación del ADN podrían estar sucediendo al mismo tiempo que la señal de división, sin tener ninguna relación causal con esa señal. Para decidir entre los dos modelos de división celular, el profesor Ariel Amir, del Departamento de Física de Sistemas Complejos de Weizmann, y un equipo internacional de científicos utilizaron la prueba de independencia condicional, una herramienta estadística desarrollada por Judea Pearl, el científico israelí-estadounidense que recibió el Premio Turing por su trabajo sobre las técnicas implicadas en este enfoque. Los investigadores aplicaron esta prueba a los datos que se habían recopilado, en colaboración con la Universidad de Tennessee, a partir del crecimiento de cientos de bacterias E. coli diferentes en distintos lotes. Algunas de las células se cultivaron en condiciones que les permitieron dividirse rápidamente, mientras que otras se cultivaron en condiciones que dictaban un crecimiento más lento. Los datos incluían el momento de las diferentes etapas del ciclo de vida de las células, así como el tamaño de las células en cada etapa. Las generaciones van y vienen: seguimiento de los cambios que ocurren a lo largo del tiempo en tres marcadores fluorescentes a nivel de células individuales de E. coli cultivadas en el laboratorio (Gentileza: Instituto Weizmann) Las pruebas de independencia condicional plantean preguntas del tipo “si-entonces” que pueden revelar qué correlación es solo eso, una coincidencia que no implica causalidad. En el trabajo dirigido por Prathitha Kar, estudiante de investigación en Harvard, el equipo comparó grupos de células bacterianas que tenían un tamaño similar durante su etapa de duplicación de ADN, pero que habían tenido tamaños diferentes al nacer. Si el modelo que afirma que el momento de la división celular depende únicamente de la duplicación de ADN es correcto, entonces las células de un tamaño similar en el momento de la duplicación se dividirían en un momento similar, independientemente de su tamaño al nacer. Sin embargo, si el modelo es incorrecto y es la acumulación de proteínas desde el nacimiento lo que determina cuándo se dividirán las células, entonces las células de diferente tamaño al nacer se dividirían en momentos diferentes, y habría una correlación entre el tamaño al nacer y el tamaño en el momento de la división. El profesor Ariel Amir del Instituto Weizmann aplica modelos matemáticos para estudiar los ciclos de vida de bacterias y patógenos (Gentileza: Instituto Weizmann) Los investigadores se sorprendieron al descubrir que ambos modelos son válidos, pero no en el sentido propuesto por el tercer modelo “híbrido”. Cuando las células bacterianas crecían a un ritmo lento, eran los procesos de duplicación del ADN los que determinaban cuándo se dividiría una célula. Sin embargo, cuando el ritmo de crecimiento de las células era más rápido, la situación se volvía más compleja y los investigadores descubrieron que tanto los procesos que comenzaban en el nacimiento como la duplicación del ADN se combinaban para determinar cuándo se dividiría la célula. Finalmente, los investigadores revelaron una pista visual de que la división celular había llegado a un punto sin retorno: una célula está destinada a dividirse en dos células en el momento en que comienza a formarse un anillo en su centro. Los científicos también utilizaron pruebas de independencia condicional para refutar una teoría muy extendida según la cual el momento de la duplicación del ADN en una generación determina rígidamente el momento de la duplicación en la siguiente. En lugar de ello, demostraron que los procesos que ocurren en la célula madre después de que ya se ha iniciado la duplicación del ADN pueden afectar al momento en que las células hijas comienzan a replicar su propio material genético. Investigadores hallaron que la formación de un anillo central en la célula marca el punto de no retorno hacia la división celular (Imagen Ilustrativa Infobae) “El uso de métodos estadísticos para confirmar una relación causal nos permite comprender mejor los procesos de crecimiento y división de las células bacterianas”, afirma Amir. “Las pruebas de independencia condicional se han utilizado habitualmente en campos como la epidemiología, la economía, etc. Creo que la capacidad de caracterizar los procesos de crecimiento y reproducción de una amplia gama de patógenos allanará el camino para el desarrollo de antibióticos más eficaces en el futuro”. También participaron en el estudio el Dr. Sriram Tiruvadi-Krishnan, la Prof. Jaana Männik y el Prof. Jaan Männik de la Universidad de Tennessee. Descifrando la vida El profesor Amir también estudia la evolución microbiana mediante modelos probabilísticos en su laboratorio en el Instituto Weizmann (Gentileza: Instituto Weizmann) El profesor Amir se propone descifrar los procesos vitales mediante modelos físicos y matemáticos. Desde que se incorporó al Departamento de Física de Sistemas Complejos del Instituto Weizmann en septiembre de 2022, su investigación se ha centrado en el ciclo de vida de las bacterias y en la comprensión de los diferentes procesos biofísicos que se producen en el interior de las células, incluida la expresión de proteínas y las estrategias de búsqueda intercelular. Utiliza modelos de inferencia causal y física estadística, sobre los que ha escrito un libro de texto introductorio. Su equipo de investigación también examina la evolución microbiana utilizando modelos de la teoría de la probabilidad. Amir comenzó su carrera científica en física teórica de la materia condensada, estudiando las propiedades de la dinámica del vidrio electrónico para su maestría y doctorado en el Instituto Weizmann bajo la guía del profesor Yuval Oreg y el difunto profesor Yoseph Imry. Luego, como investigador postdoctoral en la Universidad de Harvard, se sintió atraído por la investigación en biofísica, primero bajo la guía del profesor David Nelson y luego en su propio laboratorio. Fuera del laboratorio, disfruta de la escalada en roca, correr y andar en bicicleta. Él y su esposa, Lindy, tienen tres hijas. La investigación del profesor Amir cuenta con el apoyo del Centro Clore de Física Biológica.
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