Una célula no es una pompa de jabón que puede pellizcarse en dos para reproducirse. La capacidad de copiar fielmente el material genético y distribuirlo por igual a las células hijas es fundamental para todas las formas de vida. Incluso los organismos unicelulares aparentemente simples deben tener los medios para duplicar meticulosamente su ADN, separar cuidadosamente el material genético recién copiado y dividirlo con delicadeza en dos para asegurar que sus descendientes sobrevivan.
En células eucariotas como las de plantas y animales, un circuito molecular elaborado coordina la duplicación y la separación del material genético con la división, del mismo modo que la perilla de control en una lavadora coordina la agitación, el enjuague y el centrifugado. Y el sistema de control celular, como el sistema de control de la lavadora, tiene sensores que detectan anomalías y cierran las cosas si algo anda mal.
¿Qué hay de las bacterias? En la edición del 28 de agosto de Current Biology, Heidi A. Arjes, estudiante de doctorado en el laboratorio de Petra Levin, PhD, profesora asociada de biología en Artes y Ciencias en la Universidad de Washington en St. Louis, presenta los primeros datos experimentales que muestran hay al menos dos puntos a prueba de fallas en el ciclo de la célula bacteriana que vinculan la replicación del ADN a la división celular.
Una célula que tropieza con cualquier división o replicación del ADN puede repararse a sí misma y reingresar al ciclo celular. Pero si no lo hace tan rápido, las cajas fuertes de fallas se activan, lo que obliga a la célula a salir del ciclo celular para siempre. Luego entra en un estado parecido a un zombi y no puede reproducirse incluso en las condiciones más favorables.
Cuando los nutrientes son escasos, las bacterias crecen lentamente, trabajando a través del ciclo celular paso a paso. Sin embargo, en condiciones ricas en nutrientes, las bacterias aprovechan la situación para multiplicarse lo más rápidamente posible, solapando dos de los pasos: la división celular y la replicación del ADN, algo que nunca sucede en las células eucariotas.
Debido a su capacidad para superponer estos dos procesos esenciales, se cree que las bacterias carecen de los mecanismos a prueba de fallas que aseguran la progresión paso a paso a través de la reproducción en células eucariotas.
Comprender los mecanismos del control del ciclo celular bacteriano puede tener grandes beneficios para la medicina. Las drogas que detienen el ciclo celular podrían usarse para combatir infecciones bacterianas. No solo evitarían que las bacterias se multiplicaran, sino que también evitarían que transmitieran genes de resistencia o que se recuperaran una vez que el fármaco había sido metabolizado.
División a la velocidad máxima
El ciclo celular bacteriano comienza cuando una célula hija recién nacida se alarga y comienza a hacer otra copia de su ADN. A medida que avanza la replicación del ADN, un anillo de división, llamado anillo Z, comienza a reunirse en la mitad de la célula. El anillo Z recluta otras moléculas para formar un anillo contráctil y, una vez que hay al menos dos copias completas del ADN, pellizca la célula bacteriana en dos para formar células hijas.
Hasta ahora, el ciclo de las células bacterianas no es tan diferente del ciclo de las células eucariotas. Pero cuando las bacterias se encuentran en condiciones ricas en nutrientes, cambian a velocidad alta, doblando de tamaño y dividiéndose una vez cada 20 minutos. Como a una bacteria le toma 40 minutos copiar completamente su ADN, ¿cómo puede dividirse una vez cada 20 minutos?
Para que todo salga bien, las bacterias emplean la "replicación multiformato": inician nuevas rondas de copia del ADN antes de que termine la primera ronda. Empezar con la replicación del ADN garantiza que al menos un conjunto de material genético estará listo antes de que se dividan. Solo la ronda de ADN más madura debe completarse antes de que la célula se divida. Las otras horquillas de replicación terminarán en las siguientes generaciones.
Fue esta superposición entre la replicación y la división lo que condujo a la visión tradicional de que el ciclo de la célula bacteriana consiste en procesos paralelos que están estrechamente vinculados.
Era sentido común que los procesos debían estar conectados de alguna manera, dijo Levin. Después de todo, las bacterias esperan hasta que un conjunto de cromosomas esté completo para dividirse. Dividir en ADN incompleto o mezclado suele ser letal. "Pero hasta los datos de Heidi, la gente hablaba del ciclo de las células bacterianas como algo mágicamente coordinado a pesar de que no había un mecanismo para hacerlo. Las cosas de alguna manera funcionaron bien aunque no se había identificado ningún sistema de control ".
El bloqueo de la división bloquea la replicación del ADN
En el artículo de Current Biology, Arjes y sus colaboradores describen experimentos que muestran que la división celular y la replicación del ADN no son independientes. Las nuevas rondas de replicación de ADN dependen de la finalización exitosa de la división celular y el ensamblaje de la maquinaria de división en midcell depende del inicio de la replicación del ADN.
Un conjunto de experimentos mostró que después de que la división se bloquea, la replicación del ADN disminuye gradualmente y, después de aproximadamente cinco generaciones, la bacteria alcanzó el punto de no retorno. En otros experimentos, la replicación del ADN se bloqueó directamente. En este caso, la bacteria tardó cerca de tres generaciones en llegar al punto de no retorno. El momento sugiere que la replicación del ADN podría ser el evento que desvía las bacterias al estado de animación suspendida.
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¿Cuál es el beneficio del arresto terminal en un organismo unicelular, cuyo principal objetivo en la vida es dividir?
"En realidad podría ser una forma de altruismo", dijo Arjes. "En la naturaleza, las bacterias a menudo existen no aisladas, sino en comunidades. Una célula envejecida o insalubre que se alejó de la población beneficiaría a la comunidad en su conjunto porque ya no competiría por los nutrientes ni produciría células hijas defectuosas ".
Bacterias Zombificantes
Aunque la investigación establece firmemente la existencia de dos puntos a prueba de fallas en el ciclo de la célula bacteriana, los mecanismos que aseguran una progresión adecuada del ciclo celular siguen siendo un misterio.
"Eso es lo siguiente que tenemos que hacer", dijo Levin. "Descubre cómo la maquinaria de la división le dice a la maquinaria de replicación de ADN que algo anda mal" y cómo la "información de que la replicación del ADN no funciona se comunica a la maquinaria de la división".
Estas vías de señalización serán grandes objetivos para las nuevas terapias con antibióticos. Las drogas que conducían a las bacterias más allá del punto de no retorno evitarían que proliferaran, retrasando una infección. El bloqueo de la replicación del ADN evitaría que las bacterias compartan mutaciones que confieren resistencia a los antibióticos. "Lo más importante", dice Arjes, "si una bacteria se ha encontrado con una detención terminal del ciclo celular, no puede recuperarse incluso después de que la droga haya sido metabolizada".
"La gente ya está trabajando en drogas que golpean la maquinaria de la división", dijo Arjes. "Han hecho muchas pantallas; de hecho, en nuestros experimentos usamos un nuevo medicamento llamado PC190723 que bloquea la división en Staphyloccus aureus. Fue sintetizado para nosotros por Jared Shaw, un químico de la Universidad de California en Davis, y está siendo probado contra los aislados de MRSA ( Staphylococcus aureus resistente a la meticilina ).
"La terapia combinada con PC190723 y otros medicamentos como la meticilina, un antibiótico de penicilina de espectro extendido, parece ser eficaz contra el SARM, aunque la meticilina sola ya no es efectiva. El bloqueador de la división de alguna manera sensibiliza a las bacterias a las drogas a las que se han vuelto resistentes ".
El ciclo de las células eucariotas se ha estudiado durante más de un siglo. Tres científicos ganaron el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 2001 por descifrar los reguladores que impiden que la célula se divida de forma promiscua e interminable. Incluso es posible jugar un juego de control de ciclo celular en el sitio Nobel, Nobelprize.org.
"Cuando hablo con personas que estudian células eucariotas sobre nuestro trabajo con el ciclo de las células bacterianas, dicen: '¿Qué? ¿Esto es nuevo? ¿La gente no sabe esto? '", Dijo Arjes. "Pero cuando hablo con personas que estudian las células bacterianas, están asombrados. Es una idea completamente nueva ".
