Luis A. Bagatolli - Martes 18 de Junio 14:15 hs

La célula como un gel: material para una discusión conceptual

Cuando se bloquea el metabolismo mitocondrial en suspensiones de levaduras que han sido previamente sincronizadas por privación de nutrientes, la adición posterior de glucosa al medio que las contiene genera un fenómeno oscilatorio conocido como oscilación glicolítica. Este fenómeno, que ha sido estudiado por más de 70 años, se caracteriza por una variación temporal, estrictamente periódica, en la actividad de ATP y NADH (más otros metabolitos intervinientes) celular con una frecuencia característica del orden de decenas de segundos.

Estudios recientes de nuestro laboratorio han establecido que las oscilaciones exhibidas por estos metabolitos están estrechamente acopladas con oscilaciones en el estado dinámico del agua intracelular, siendo este fenómeno escala-independiente (esto es, una propiedad intensiva del sistema). Pudimos establecer además que la magnitud de la relajación dipolar exhibida por el agua intracelular, modulada por niveles óptimos de ATP y una red normal de actina, es crucial para el surgimiento de estas oscilaciones (1-4). Estos resultados respaldan la idea de un interior celular altamente coherente y ordenado con propiedades similares a un hidrogel (o coascervado).

Durante la oscilación glicolítica hemos observado además un fuerte acoplamiento entre las fluctuaciones temporales en la actividad de estos metabolitos y variables termodinámicas tales como la temperatura, la capacidad calorífica y el volumen celular (5). Estos últimos resultados experimentales confirman la predicción de un nuevo formalismo teórico, propuesto por T. Heimburg (6), en el cual los sistemas termodinámicos isentrópicos pueden mostrar oscilaciones acopladas en todas sus variables extensivas e intensivas, reminiscentes a ondas adiabáticas. Esta interpretación está en consonancia con la visión del interior celular como un sistema altamente estructurado y cercano al equilibrio y donde el consumo de energía es mínimo para mantener regímenes oscilatorios regulares. Esta interpretación desafía la idea imperante que los procesos biológicos son puramente disipativos.

Todo este cúmulo de resultados experimentales -que son difíciles de conceptualizar usando el modelo dominante de la célula estrictamente basado en principios de cinética de acción de masas y la teoría de las soluciones diluidas (van’t Hof)- puede interpretarse satisfactoriamente utilizando una teoría alternativa denominada Hipótesis de asociación-inducción, propuesta por G. N. Ling en la década del 60 (7). Esta hipótesis, basada en principios de fisicoquímica coloidal y mecánica estadística, ofrece un marco mecanicista simple y elegante para explicar nuestros resultados experimentales, el cual desafía las bases del modelo celular dominante.

Referencias

1. Thoke HS, et al. (2015) PLoS One 10(2):e0117308.
2. Bagatolli, L.A. and Stock, R. P. (2016). Physiological Mini Reviews 9(5): 38-49.
3. Thoke HS, et al (2017) Sci. Rep. 7(1):16250.
4. Thoke HS, et al (2018) J. Biol. Physics, 44(3):419-431
5. Thoke HS, et al (2018) Integrative Biology doi: 10.1039/c8ib00099a.
6. Heimburg T. (2017) Phys Chem Chem Phys 19(26):17331-17341.
7. Ling GN (2001) Life at the cell and below cell level. The hidden history of a fundamental revolution in biology (Pacific press).