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Un estudio descubre que pequeñas células artificiales pueden medir el tiempo

Un equipo de investigadores de la UC Merced ha demostrado que diminutas células artificiales pueden medir el tiempo con precisión, imitando los ritmos diarios de los organismos vivos. Sus hallazgos arrojan luz sobre cómo los relojes biológicos se mantienen a tiempo a pesar del ruido molecular inherente al interior de las células.

El estudio, publicado recientemente en Nature Communications, fue dirigido por el profesor de bioingeniería Anand Bala Subramaniam y el profesor de química y bioquímica Andy LiWang . El primer autor, Alexander Zhang Tu Li, obtuvo su doctorado en el laboratorio de Subramaniam.

Los relojes biológicos, también conocidos como ritmos circadianos, rigen ciclos de 24 horas que regulan el sueño, el metabolismo y otros procesos vitales. Para explorar los mecanismos que subyacen a los ritmos circadianos de las cianobacterias, los investigadores reconstruyeron el mecanismo en estructuras simplificadas, similares a células, llamadas vesículas. Estas vesículas se cargaron con proteínas del reloj central, una de las cuales se marcó con un marcador fluorescente.

Las células artificiales brillaron a un ritmo regular de 24 horas durante al menos cuatro días. Sin embargo, al reducirse el número de proteínas reloj o al reducirse el tamaño de las vesículas, el brillo rítmico cesó. La pérdida de ritmo siguió un patrón reproducible.

Para explicar estos hallazgos, el equipo construyó un modelo computacional. Este modelo reveló que los relojes se vuelven más robustos con mayores concentraciones de proteínas reloj, lo que permite que miles de vesículas mantengan la hora con fiabilidad, incluso cuando las cantidades de proteína varían ligeramente entre ellas.

El modelo también sugirió que otro componente del sistema circadiano natural, responsable de activar y desactivar los genes, no juega un papel importante en el mantenimiento de los relojes individuales pero es esencial para sincronizar el tiempo de los relojes en una población.

Los investigadores también observaron que algunas proteínas del reloj tienden a adherirse a las paredes de las vesículas, lo que significa que es necesario un alto recuento total de proteínas para mantener una función adecuada.

“Este estudio demuestra que podemos analizar y comprender los principios básicos del cronometraje biológico utilizando sistemas sintéticos simplificados”, afirmó Subramaniam.

El trabajo dirigido por Subramaniam y LiWang avanza en la metodología para estudiar los relojes biológicos, afirmó Mingxu Fang, profesor de microbiología en la Universidad Estatal de Ohio y experto en relojes circadianos.

“El reloj circadiano de las cianobacterias depende de reacciones bioquímicas lentas que son inherentemente ruidosas, y se ha propuesto que se necesitan altas cantidades de proteínas del reloj para amortiguar este ruido”, afirmó Fang. “Este nuevo estudio introduce un método para observar las reacciones del reloj reconstituidas dentro de vesículas de tamaño ajustable que imitan las dimensiones celulares. Esta potente herramienta permite analizar directamente cómo y por qué organismos con diferentes tamaños celulares pueden adoptar estrategias de cronometraje distintas, profundizando así nuestra comprensión de los mecanismos biológicos de cronometraje en las distintas formas de vida”.

Subramaniam es profesor del Departamento de Bioingeniería y está afiliado al Instituto de Investigación en Ciencias de la Salud (HSRI). LiWang es profesor del Departamento de Química y Bioquímica, también afiliado al HSRI. Es miembro de la Academia Americana de Microbiología y recibió el Premio Dorothy Crowfoot Hodgkin 2025 de la Sociedad de Proteínas.

El trabajo contó con el apoyo de la beca CAREER de la Fundación Nacional de Ciencias de Subramaniam, otorgada por la División de Investigación de Materiales, y de subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud y la Oficina de Investigación del Ejército otorgadas a LiWang. LiWang recibió una beca del Centro CREST de Máquinas Celulares y Biomoleculares de la NSF en la Universidad de California en Merced.

Univesidad de California News. Traducido al español

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