El primer anteproyecto de una célula mínima es más complejo de lo que se esperaba

CRG/DICYT ¿Qué es estrictamente esencial para la vida? ¿Cuáles son los ingredientes indispensables para producir una célula capaz de sobrevivir por si misma? ¿Podemos describir la anatomía molecular de una célula y entender todas las funciones de un organismo como si se tratara de un sistema? Éstas son sólo algunas de las preguntas que, investigadores del Centro de Regulación Genómica (CRG) en Barcelona y del European Molecular Biology Laboratory (EMBL) en Heidelberg (Alemania), se propusieron.

En tres artículos científicos publicados en el mismo número de la revista Science, los investigadores aportan por primera vez la descripción exhaustiva de una célula mínima, basada en un estudio cuantitativo extensivo de la biología de la bacteria que causa neumonía atípica: Mycoplasma pneumoniae. El estudio descubre novedades fascinantes relacionadas con la biología bacteriana y muestra que, incluso la célula más simple, es en realidad más compleja del que se esperaba.

Mycoplasma pneumoniae es una pequeña bacteria unicelular que causa neumonía atípica en humanos. También es uno de los procariotas (organismos en los cuales sus células no tienen núcleo) más pequeños y que no depende de una célula huésped para reproducirse. Es por ello que los seis grupos de investigación que se propusieron describir una célula mínima en un proyecto liderado por los investigadores Peer Bork, Anne-Claude Gavin y Luis Serrano, escogieron la bacteria como modelo: es suficientemente compleja como para sobrevivir por ella misma, aunque es pequeña y, teóricamente, suficientemente simple como para representar una célula mínima y permitir un análisis global.

Una red de grupos de investigación en la Unidad de Biología Computacional y Estructural del EMBL y la Unidad de Investigación en Biología de Sistemas EMBL/CRG del CRG se han aproximado a la bacteria a tres niveles diferentes. Un equipo de investigadores describió el transcriptoma de Mycoplasma pneumoniae, identificó todas las moléculas de ARN o transcritos producidos por el ADN, en diferentes condiciones ambientales. Otro, definió todas las reacciones metabólicas que sucedían (metaboloma), en las mismas condiciones que el primero. Un tercer equipo, indentificó cada complejo multiproteínico producido por la bacteria y por tanto, hicieron evidente la organización de su proteoma.

“En los tres niveles, hemos encontrado que M. pneumoniae es más compleja de lo que esperábamos inicialmente”, afirma Luis Serrano, Profesor Investigador ICREA, coiniciador del proyecto, coordinador del programa de Biología de Sistemas del CRG y autor principal de 2 de los 3 artículos publicados. Luis Serrano fue galardonado recientemente por el Consejo Europeo de Investigación y consiguió una ayuda ERC para investigadores senior para un proyecto de ingeniería y monitorización de Mycoplasma pneumoniae como si se tratara de un orgánulo celular como las mitocondrias.

Mientras estudiaban el proteoma y el metaboloma de la bacteria, los investigadores encontraron que muchas moléculas eran multifuncionales: enzimas metabólicos que catalizan múltiples reacciones u otras proteínas que participan en más de un complejo proteínico. A su vez, también encontraron que M. pneumoniae une procesos biológicos en el espacio y el tiempo.

Cabe destacar que la regulación del transcriptoma de esta bacteria es mucho más parecida a la de los organismos eucariotas (organismos cuyas células tienen núcleo) de lo que se creía anteriormente. Igual que en los organismos eucariotas, una gran proporción de los tránscritos no se traducen a proteínas. Y, aunque sus genes se agrupen como en una bacteria típica, Mycoplasma pneumoniae no siempre transcribe todos los genes juntos en un grupo y puede expresarlos selectivamente o reprimir genes individualmente de cada grupo.

A diferencia de otras bacterias más grandes, el metabolismo de M. pneumoniae no parece buscar la reproducción en el menor tiempo posible, quizá a causa de su estilo de vida como patógeno. Otra sorpresa fue el hecho que, aún teniendo un genoma muy pequeño, esta bacteria es increíblemente flexible y está preparada para ajustar su metabolismo a cambios drásticos de las condiciones ambientales. Esta adaptabilidad y sus mecanismos de regulación hacen que la bacteria tenga el potencial para evolucionar rápidamente y, sobretodo, son rasgos que también comparte con otros organismos más evolucionados.

“La clave está en estos rasgos compartidos”, explica Anne –Claude Gavin, una jefe de grupo del EMBL que dirigió el estudio del proteoma de la bacteria: “Éstas son las cosas sin las cuales ni siquiera el organismo más simple, podría existir y que se han mantenido intactas tras millones de años de evolución – lo que es estrictamente esencial para la vida”.

Este estudio ha requerido un amplio abanico de expertos, para entender la organización molecular de M. pneumoniae a tantas escalas diferentes y para integrar todos los datos que han resultado del trabajo. Así, se ha podido obtener un retrato completo de las funciones de todo un organismo tratándolo como si se tratara de un sistema, una aproximación llamada Biología de Sistemas.

“En la Unidad de Biología Computacional y Estructural del EMBL tenemos una única combinación de métodos y los hemos coordinado todos para este proyecto”, comenta Peer Bork, jefe de la unidad, coiniciador del proyecto y responsable del análisis computacional. “En colaboración con el grupo del CRG hemos podido construir un retrato completo y general basado en estudios detallados a muchos niveles diferentes.” Bork ha sido galardonado recientemente con el premio Royal Society & Académie des Sciences Microsoft Award por sus avances de la ciencia utilizando modelos computacionles