Imagínese parado en un aserradero y pidiéndole que construya una casa, sin planos ni instrucciones de ningún tipo. Todos los materiales están frente a usted, pero eso no significa que tenga la primera idea de cómo llegar desde el punto Aal punto B.
Esa era la situación que enfrentaban los biólogos de Princeton que están construyendo microtúbulos, el esqueleto de la célula, desde cero.
"No pensamos que fuera posible", dijo Sabine Petry, profesora asistente de biología molecular. Durante años, Petry y los investigadores de su laboratorio han deslumbrado al mundo biológico con videos de lo que ellos llaman "los fuegos artificiales de la vida,"que muestran la ramificación y el crecimiento de estas estructuras microscópicas". ¿Desde hacer fuegos artificiales hasta llegar a la receta de cómo se hacen los fuegos artificiales? Lo habíamos imaginado e intercambiado ideas durante cinco años ". En ese momento, su equipo determinó minuciosamente los fuegos artificiales.'componentes, una proteína a la vez, y el estudiante graduado Akanksha Thawani había ideado un modelo para la secuencia, pero probarlo parecía imposible.
Pero los revisores de la revista les dijeron que no podían publicar su modelo a menos que lo probaran experimentalmente.
"Es cierto que después de ver a Akanksha trabajar en esto tanto tiempo, cuando el árbitro pidió más trabajo, era escéptico de que pudiéramos resolver el orden de los enlaces moleculares en cualquier momento razonable", dijo Howard Stone, Donald R. Dixon de Princeton'69 y Elizabeth W. Dixon, profesora de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial y co-asesora de Thawani. "Pero Akanksha estaba enfocada y disciplinada, y abordaba sistemáticamente experimentos que identificaban el orden de los accesorios moleculares. Fue sorprendente seguir su trabajo de detective".
"Nos preguntaron y queríamos que se publicara, así que funcionó", dijo Petry. "El proceso de revisión recibe mucha mala prensa, pero los revisores a veces pueden llevarlo al siguiente nivel". Los resultadosde su trabajo aparecen en la revista eLife .
Construyendo una casa sin planos
Los microtúbulos son los ladrillos y el mortero de la célula, se utilizan para construir las paredes celulares y los husos de la mitosis y la meiosis; sin ellos, ni siquiera los organismos unicelulares podrían reproducirse, pero hasta ahora, nadie sabía exactamente cómo los microtúbulosse ramifican entre sí. Durante una década, los investigadores han sabido que la ramificación, causada a medida que los microtúbulos crecen unos de otros, fue clave para ensamblar los husos y hacer conexiones entre los componentes celulares.
"La pieza que faltaba durante una década más o menos ha sido esta ramificación de microtúbulos: que los microtúbulos no crecen solo linealmente, sino que en realidad se ramifican y pueden ramificarse una y otra vez, creando esos fuegos artificiales", dijo Petry.
Si bien el equipo de Petry había identificado los componentes necesarios para construir microtúbulos, no habían reunido la secuencia, la receta, que explicaba exactamente cómo ensamblarlos, a nivel molecular, para hacer que los husos crezcan y se ramifiquen enfuegos artificiales. Y en su mayor parte, estuvo bien. La biología lo hizo por ellos. Si juntan los componentes correctos, los fuegos artificiales simplemente crecieron.
¿Pero cómo sucedió exactamente? Esa fue la pregunta que molestó a Thawani, una estudiante de posgrado de ingeniería química y biológica que realizaba su investigación en el laboratorio de Petry.
"Durante mucho tiempo, los he estado mirando y preguntándome cómo funcionó, desde cero", dijo Thawani, quien recientemente ganó la beca Charlotte Elizabeth Proctor Fellowship para estudiantes graduados en su último año ". Comenzamos sin microtúbulos".en absoluto, y luego, dentro de 15 minutos, tenemos estas hermosas estructuras. ¿Cómo se genera una estructura a partir de esas proteínas del tamaño de un nanómetro? ¿Qué fue sobre su cinética de unión o su organización que resultaría en las estructuras que vemos? "
Thawani estaba en una posición única para abordar estas preguntas, después de haber pasado años estudiando ingeniería química y física, así como biología molecular. Básicamente, ha inventado una nueva subespecialidad entre los tres campos ". En las intersecciones entre disciplinas, ahí es dondeluego, la mejor ciencia es ", dijo.
El eLife el documento se encuentra en esa encrucijada inusual: de los cuatro autores, todos excepto Thawani son investigadores principales PI de sus propios laboratorios de investigación, en tres campos generalmente no relacionados: Petry en biología; Stone en ingeniería; y Joshua Shaevitz, profesor defísica y el Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa.
"No conozco muchos ejemplos en los que haya un primer autor y luego tres PI", dijo Petry. "Creo que es una fortaleza de Princeton. No conozco ningún otro lugar donde sea tan fácil obtener tresprofesores juntos para hacer realidad un proyecto "
La clave, se había dado cuenta Thawani, era crear un modelo de computadora basado en mediciones precisas de los patrones de crecimiento de los microtúbulos. Eso requería imágenes de los fuegos artificiales con microscopía de fluorescencia de reflexión interna total TIRF, una fortaleza del laboratorio de Petry, que se ha desarrolladotécnicas para aislar ópticamente una región de la muestra de 100 nanómetros de grosor para que los microtúbulos ramificados se puedan ver en un mar de moléculas de fondo para referencia, un cabello humano es aproximadamente 500 veces más ancho que eso.
Pero incluso entonces, cada píxel grabado por la cámara incluía miles de moléculas. Thawani tuvo que encontrar una manera de desagregar los datos visuales para hacer observaciones de una sola molécula, lo que requirió meses de análisis de imágenes complicado, y la ayuda de Shaevitz, quienha pasado años en el análisis de imágenes.
En última instancia, Thawani midió exactamente cuándo y dónde una proteína individual se une a un microtúbulo existente para iniciar una nueva rama, así como su tasa de crecimiento, observando una molécula a la vez.
"El enfoque tradicional, en el que se cambian las cantidades de diferentes moléculas en la reacción de ramificación, no le permite determinar el orden en que deben ocurrir las cosas", dijo Shaevitz, quien también es el codirector de la NSFfinanciado por el Centro para la Física de la Función Biológica. "Al observar las moléculas individuales, literalmente podemos ver el ensamblaje pieza por pieza a medida que sucede".
Thawani creó un modelo de computadora utilizando esos parámetros. Otros científicos han intentado modelar la ramificación de microtúbulos antes, pero ninguno tuvo acceso a mediciones tan precisas para probar los resultados de su modelo. Luego probó varias secuencias que los investigadores habían hecho una lluvia de ideas a lo largo de los años, y el modelo descartó todos menos uno.
Entonces, el equipo de investigación tenía los ingredientes, proteínas llamadas TPX2, augmin y? -TuRC, así como la secuencia de pasos, pero la computadora no podía decirles qué proteína agregar cuando. Y como cualquiera que hayaKit de muebles ensamblados o pan horneado desde cero sabe, hacer los pasos fuera de servicio simplemente no funciona.
El giro final
Los experimentos requeridos por los revisores revelaron que las expectativas de Thawani y Petry eran exactamente al revés. "Pensamos que primero tenía que ser augmin y luego TPX2, pero resultó ser al revés", dijo Thawani.fue el giro "
Con ese descubrimiento, los investigadores tuvieron la receta completa para generar fuegos artificiales de microtúbulos: si TPX2 se deposita en los microtúbulos existentes, seguido de la unión de augmin con? -TuRC, entonces los nuevos microtúbulos se nuclearán y ramificarán.
Como paso final, confirmaron que las proteínas se unirían exactamente con la velocidad predicha por el modelo de computadora de Thawani. "Ese fue el tercer avance", dijo Petry, "que esos números coincidieron, que lo que su modelo predijo en ella computadora era verdadera para la biología "
"Este trabajo de Petry es realmente una adición importante que ayudará a impulsar el campo", dijo Daniel Needleman, profesor de física aplicada de Gordon McKay y profesor de biología molecular y celular en la Universidad de Harvard. "Creo que este trabajo, en combinación con los resultados de mi grupo y de Jan Brugués en el Instituto Max Planck de Biología y Genética Celular Molecular en Dresden, realmente han aclarado las 'reglas' para la nucleación de microtúbulos en los husillos. El siguiente paso será descubrirprocesos moleculares que rigen esas reglas. Petry y las universidades han establecido un sistema que realmente debería ayudar a hacer eso ".
Mirando hacia atrás, dijo Petry, el trabajo estuvo "lleno de sorpresas, tanto experimentalmente como en lo que se puede lograr y cómo se puede lograr. Revisando esta pregunta de larga data, incorporando profesores de tres campos, el proceso de revisión: eltodo el sistema funcionó "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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