Físicos y biólogos unen fuerzas para desvelar los mecanismos de la autofagia

La autofagia, del griego “comerse a uno mismo”, es el proceso mediante el que las células capturan y degradan componentes de su propio interior (proteínas, organelos…) que se hayan estropeado, que ya no hagan falta, o que tengan un origen sospechoso o desconocido. Gracias a la autofagia, las células pueden reciclar estos componentes y reutilizar la materia prima para funciones que resulten más necesarias en un momento dado. En los últimos años, se ha descubierto que muchos componentes en las células no forman objetos sólidos sino líquidos – como gotitas de vinagre en una vinagreta – llamados condensados biomoleculares. Esto plantea la pregunta: ¿Cómo funciona la autofagia de estos condensados biomoleculares? O, en otras palabras, ¿cómo comerse un líquido?

En un nuevo trabajo de investigación publicado en la revista Nature, un equipo de biólogos (que trabajan en Oslo y Tokio), un físico experimental (en Potsdam, Alemania), y un físico teórico (el que aquí os escribe, con base en Göttingen, Alemania) hemos unido fuerzas para intentar responder a esta pregunta. En este artículo, voy a contaros nuestras averiguaciones. Al mismo tiempo, espero poder dar un ejemplo de cómo la física y la biología tienen mucho que aportar la una a la otra. El acercamiento entre estas dos disciplinas es el hilo conductor de la investigación que hacemos en el Departamento de Física de la Materia Viviente, en el Instituto Max Planck para la Dinámica y la Autoorganización en Göttingen, Alemania, donde dirijo un grupo de investigación.

Dos líneas paralelas al fin se cruzan

Los biólogos celulares han trabajado durante décadas intentando descifrar los mecanismos de la autofagia, desde los trabajos pioneros de Christian de Duve en los años sesenta, a los que siguió un ‘boom’ de descubrimientos en los años noventa, con Yoshinori Ohsumi como cabeza de cartel. Tanto de Duve como Ohsumi recibieron sendos Premios Nobel de Medicina, el uno en 1974, el otro en 2016, por sus descubrimientos. Durante todos estos años, se ha descubierto que la autofagia está íntimamente relacionada con una multitud de procesos celulares de gran importancia, como la reparación de daños o la respuesta a la falta de alimentos. Fallos en los mecanismos de autofagia se han relacionado con enfermedades degenerativas como el cáncer o la enfermedad de Parkinson.

En paralelo, los biólogos celulares también se han interesado más y más por lo que hoy se suelen llamar “organelos sin membrana” o condensados biomoleculares. Seguro que algunos de vosotros os acordáis de aprender los nombres de los organelos en clase de biología en el cole (la mitocondria, el aparato de Golgi, el retículo endoplasmático…). Todos estos organelos son compartimentos celulares que están delimitados por una membrana. Sin embargo, en los últimos diez años se ha descubierto que hay muchísimos otros compartimentos, con la peculiaridad de que éstos no tienen una membrana que los separe del resto de la célula. Como gotitas de aceite en agua, estos compartimentos son líquidos, pero no quieren mezclarse con su entorno y mantienen una composición precisa, constituyendo un ejemplo biológico de lo que los físicos llamamos “separación de fase líquido-líquido”.

Lo que intrigó a mi colaborador y amigo Roland Knorr, del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam, Alemania, físico experimental experto en la separación de fase líquido-líquido y membranas lipídicas, iniciador y principal coordinador del estudio, fue una sencilla pregunta que unía estas dos líneas de investigación: ¿cómo consiguen exactamente las células “comerse” sus propios organelos líquidos? Tras contactar conmigo y nuestros colaboradores en Oslo y Tokio, decidimos abordar el problema juntos desde tres ángulos: los biólogos en Oslo (grupo de Harald Stenmark, Universidad de Oslo) y Tokio (grupos de Noboru Mizushima, Universidad de Tokio, y Alexander May, Instituto Tecnológico de Tokio), expertos en autofagia, harían experimentos con células. En Potsdam, Roland Knorr haría experimentos in vitro, con un sistema artificial que imita el proceso de autofagia, pero de forma minimalista. Y, desde Göttingen, yo me encargaría de desarrollar una teoría que describa y unifique las observaciones.

Mordisco a mordisco

Al inicio de la autofagia convencional, la membrana de aislamiento – una estructura compuesta por una membrana lipídica cerrada en forma de disco (plano y redondo) – comienza a doblarse y curvarse poco a poco, tomando forma primero de cuenco y finalmente cerrándose en forma de esfera. Así, esta esfera, llamada autofagosoma, ahora contiene la parte del citoplasma que la célula se encargará de reciclar en los siguientes pasos de la autofagia. Mis colaboradores y yo decidimos concentrarnos en este primer paso de aislamiento que, sorprendentemente, puede entenderse como resultado de una competición entre fuerzas físicas relativamente simples.

En ausencia de otras fuerzas que las perturben, las gotas líquidas suelen ser esféricas, porque tratan de minimizar el área de su superficie. Dependiendo de un parámetro llamado tensión superficial, que describe cuán fuertemente los materiales que forman la gota y su entorno se repelen el uno al otro, la gota resistirá más o menos las deformaciones en torno a su forma esférica (que necesariamente incrementan el área superficial de la gota). Si un tercer material (en este caso, la membrana de aislamiento) entra en contacto con la gota, entonces el fenómeno llamado “mojamiento” puede ocurrir: si la gota prefiere estar en contacto con la membrana más que con el material de su entorno, pero menos que consigo misma, entonces la membrana de aislamiento se situará justo entre la gota y el entorno, “pegada” a la superficie de la gota.

Al incluir estas fuerzas físicas en un modelo teórico, descubrí que la forma que toma el conjunto está determinada por la competición entre la gota, que intenta mantenerse esférica, y la membrana de aislamiento, que intenta curvarse para reducir el perímetro de su borde, cuya membrana está fuertemente doblada. Cuando la membrana de aislamiento es pequeña, simplemente se pega a la superficie de la gota sin deformarla, porque su tendencia a doblarse todavía es débil. Pero cuando crece más allá de un tamaño crítico, dos cosas pueden ocurrir. Si la tensión superficial de la gota es pequeña, la membrana de aislamiento gana la batalla, y se curva prematuramente para formar un autofagosoma, dándole un «mordisco» a la gota y encapsulando sólo parte de ella. En cambio, si la tensión superficial de la gota es suficientemente grande, la tendencia de la gota a mantenerse esférica domina, y la membrana de aislamiento puede crecer, sin deformar la gota, hasta que encapsula la gota entera.

Predicción teórica en base al modelo físico. Si la tensión superficial es baja, una membrana de aislamiento que crece acabará curvándose y “mordiendo” la gota (fluidofagia por partes, transición A1→B). Si la tensión superficial es suficientemente alta, la membrana de aislamiento puede crecer hasta encapsular la gota entera (fluidofagia completa, transición A2→C→D). Si la membrana de aislamiento es suficientemente grande y la tensión superficial se reduce de repente, también se obtiene fluidofagia por partes (transición C→B). Imagen del artículo original (www.nature.com/articles/s41586-020-2992-3)

 

Autofagia artificial

Aunque la teoría predecía por tanto dos formas en que la autofagia de líquidos puede ocurrir, que decidimos llamar «fluidofagia por partes» y «fluidofagia completa», todavía nadie había observado estos procesos en una célula. Pero, poco después, recibimos noticias de Oslo y Tokio: nuestros colaboradores habían observado en células que ciertas gotas, ricas en una proteína llamada p62 (que tiende a asociarse con autofagosomas), eran encapsuladas por partes. Estas observaciones eran prometedoras, pero el entorno celular es difícil de controlar, y las predicciones concretas de la teoría no eran fáciles de comprobar en una célula.

Imágenes de microscopio tomadas dentro de una célula, mostrando cómo una membrana de aislamiento (en verde) crece alrededor de una gota rica en la proteína p62 (en rosa). Cuando la membrana alcanza un tamaño crítico (minuto 0), se curva espontáneamente y “muerde” un pedazo de la gota, lo que llamamos “fluidofagia por partes”. Imagen del artículo original (www.nature.com/articles/s41586-020-2992-3)

Para probar que la autofagia puede producirse puramente mediante simples fuerzas físicas, y evaluar las predicciones de la teoría, nuestro colega en Potsdam creó un sistema artificial que imitaba la transformación de una membrana de aislamiento en un autofagosoma, sin las complicaciones del entorno celular. Para ello, usó «vesículas gigantes» (giant vesicles), que son compartimentos de un tamaño parecido al de una célula, delimitados por una membrana lipídica muy simple. Dentro de la vesícula, añadió una mezcla de polímeros que tiende a separarse en dos fases líquidas con distinta composición, formando así una gota dentro de la vesícula que tiende a mojar la membrana lipídica. Al desinflar la vesícula (aplicando presión osmótica), esta membrana se arrugó y formó recovecos, como un globo desinflado, y estas extensiones internas de la membrana se pegaron a la superficie de la gota y, espontáneamente, tomaron forma de disco, justo como una membrana de aislamiento.

La teoría predecía que, si la tensión superficial de la gota es suficientemente baja, una membrana de aislamiento que crece más allá de un tamaño crítico terminará curvándose y formando un autofagosoma que muerde y encapsula la gota «por partes». Pero, además, la teoría predecía la otra cara de la misma moneda: que una membrana de aislamiento suficientemente grande encapsulará la gota «por partes» si la tensión superficial de la gota se reduce por debajo de un nivel crítico. En el sistema puramente artificial, mi colega Roland Knorr podía controlar la tensión superficial a su antojo, y observó exactamente lo que predecía la teoría: al reducir la tensión superficial, todas las «membranas de aislamiento» artificiales se curvaban y formaban «autofagosomas» artificiales que pegaban un mordisco a la gota.

Imágenes del sistema de fluidofagia artificial y esquemas correspondientes. Arriba, las extensiones internas de la membrana toman forma de disco plano como la membrana de aislamiento (Sh1 y Sh2, en verde) y mojan la superficie de la gota (en rosa). Abajo, tras reducir la tensión superficial, la membrana Sh2 se curva y forma espontáneamente un autofagosoma artificial. Imagen del artículo original (www.nature.com/articles/s41586-020-2992-3)

 

Más allá de la fluidofagia

La teoría, en la forma más básica que he descrito arriba, asume que las propiedades mecánicas de la membrana de aislamiento no se alteran cuando ésta se pega a la superficie de la gota. En general, esto no es así: las dos caras de la membrana de aislamiento se exponen a dos entornos muy distintos, una a la gota muy rica en proteínas, la otra al citosol. Si se añade este aspecto a la teoría, uno encuentra que la membrana de aislamiento desarrolla cierta asimetría en su tendencia a curvarse, que puede ser hacia la gota (resultando en «fluidofagia por partes») o hacia el citosol (resultando en autofagia convencional).

Por tanto, dependiendo de los detalles de su composición, una gota puede ser o una diana para la autofagia, o servir de plataforma para la autofagia del citosol. Mis colegas en Oslo y Tokio pusieron a prueba esta predicción, creando una línea de células mutantes con proteínas p62 ligeramente modificadas, para que les faltase una parte concreta que normalmente interactúa con la membrana de aislamiento. Esta mutación resultó tener justamente el efecto esperado: la membrana de aislamiento seguía creciendo pegada a la superficie de las gotas ricas en p62, pero cuando se curvaban ahora lo hacían en la dirección contraria, encapsulando el citosol en vez de la gota.

En resumen, nuestros resultados sugieren que pequeñas modificaciones en las propiedades de la gota resultan en tres distintas formas de autofagia — por partes, completa, o del citosol — y todo puede explicarse mediante mecanismos físicos relativamente simples. Y creemos que esto es sólo la punta del iceberg en cuanto a conexiones entre la separación de fases y la autofagia. En otro estudio publicado también en Nature el año pasado, se demostró que lo que se conoce como estructura pre-autofagosomal (PAS, por sus siglas en inglés), la parte de la célula en la que los autofagosomas se forman con más frecuencia, es en realidad una gota líquida. Esto casa perfectamente con nuestra teoría, que demuestra cómo las gotas son un lugar idóneo en el que las membranas de aislamiento pueden crecer hasta que un cambio en el entorno actúa como gatillo, convirtiéndolas en autofagosomas.

Artículo original: Agudo-Canalejo, J., Schultz, S.W., Chino, H. et al. Wetting regulates autophagy of phase-separated compartments and the cytosol. Nature 591, 142–146 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2992-3 https:// www.nature.com/articles/s41586-020-2992-3

About the Author:

Jaime Agudo-Canalejo
Licenciado en Física en la Universidad Complutense de Madrid en 2012 y Doctor por la Universidad Técnica de Berlín en 2016. Su trabajo de doctorado se llevó a cabo en el Max Planck Institute of Colloids and Interfaces bajo la supervisión del Dr. Reinhard Lipowsky, donde también trabajó como posdoctoral hasta 2017. De 2017 a 2019, realizó un segundo postdoc en la Universidad de Oxford y en la Universidad de Penn State, trabajando con el Dr. Ramin Golestanian. Actualmente dirige su propio grupo de investigación "Chemically active soft matter" en el Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization.

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