El artículo publicado por el grupo de Sául Ares en la revista PLoS Computational Biology explora la diferenciación celular en un tipo de cianobacteria llamada Anabaena. Las células de Anabaena viven conectadas formando un filamento. Bajo ciertas condiciones ambientales, algunas de estas células se transforman en heterocistos, células especializadas que ayudan al filamento a sobrevivir al fijar y compartir nitrógeno. Sorprendentemente, estas células especializadas forman patrones ordenados, con una separación de aproximadamente 10 células a lo largo del filamento. Este patrón ordenado facilita una distribución eficiente del nitrógeno fijado. ¡Parece que estas cianobacterias saben contar!
El proceso mediante el cual "cuentan" y forman patrones cuasi-regulares está regulado por varios genes. hetR promueve la diferenciación de heterocistos, mientras que patS y hetN generan moléculas inhibidoras que se desplazan a lo largo del filamento, impidiendo la diferenciación. En este trabajo, nos centramos en otros dos genes: patA y hetF. Utilizando un modelo matemático y simulaciones computacionales, investigamos el papel que desempeñan en la regulación del proceso de diferenciación. hetF juega un papel crucial, ya que es necesario para que hetR active la diferenciación. Los filamentos mutantes que carecen de patA exhiben un fenotipo intrigante: no pueden formar heterocistos en el interior del filamento y solo las células en los extremos se diferencian en heterocistos.
Nuestras simulaciones sugieren que esto podría ocurrir solo si las moléculas inhibidoras producidas por patS y hetN se "escapan" por los extremos del filamento. Es decir, las condiciones de contorno del problema, un concepto de física y matemáticas, son fundamentales para comprender este fenómeno biológico. Dependiendo de si el filamento es impermeable o permite la liberación de moléculas al medio, el resultado varía. En resumen, este estudio brinda nuevos conocimientos sobre los mecanismos genéticos subyacentes a la diferenciación celular en cianobacterias y resalta la importancia de considerar las limitaciones físicas en los procesos de desarrollo.
Los procesos de diferenciación y especialización celular en respuesta a condiciones ambientales específicas son fundamentales para la supervivencia de una amplia variedad de organismos, incluyendo bacterias. Al analizar los mecanismos genéticos involucrados en la diferenciación celular en Anabaena, podemos obtener una comprensión más profunda de procesos similares en organismos más complejos, como plantas y animales. Además, esta investigación destaca la importancia de considerar las restricciones físicas en los procesos de desarrollo. Este conocimiento puede ser útil en el diseño de sistemas biológicos sintéticos, ya que remarca la importancia de tener en cuenta las reglas físicas del sistema en el que se expresan los aspectos genéticos. Por último, este estudio tiene el potencial de contribuir al desarrollo de nuevas estrategias para manipular bacterias en aplicaciones como la agricultura sostenible y la biotecnología.
Lo fascinante de este sistema biológico, la cianobacteria filamentosa Anabaena, es que parece ser la materialización de un modelo ideal para un físico: un sistema vivo genuinamente unidimensional, consistente en una cadena de células que intercambian moléculas e información entre ellas. Esta disposición simplificada permite analizar y observar las interacciones entre mecanismos biológicos y físicos que serían extremadamente difíciles de descifrar en organismos más complejos. De esta manera, al estudiar el comportamiento y la interacción de las células en este organismo modelo simplificado, esperamos obtener información valiosa sobre mecanismos generales relevantes para todos los organismos vivos.
Referencia científica:
Casanova-Ferrer P, Ares S, Muñoz-García J (2022) Terminal heterocyst differentiation in the Anabaena patA mutant as a result of post-transcriptional modifications and molecular leakage. PLoS Comput Biol 18(8): e1010359.