Descubren el mecanismo que controla el crecimiento de las células vegetales

Las plantas, durante su fase inicial de crecimiento, dependen de ácidos grasos almacenados para obtener energía, ya que aún no pueden realizar la fotosíntesis. Para procesar estos ácidos grasos, las células vegetales utilizan estructuras especializadas llamadas peroxisomas, que también están presentes en células humanas. Gracias a su tamaño y visibilidad, las células vegetales se convierten en un sistema útil para estudiar el funcionamiento de los peroxisomas.

Bonnie Bartel, profesora de Biosciencias en la Universidad de Rice, explicó que la planta utilizada en el estudio, Arabidopsis, presenta células y peroxisomas tan grandes que se pueden observar con un microscopio óptico. Durante la etapa de semilla a plántula, los peroxisomas aumentan de tamaño mientras la planta depende de los ácidos grasos para su energía, y luego regresan a su tamaño normal una vez que la planta puede realizar la fotosíntesis.

El papel del PEX11 en el control del tamaño de los peroxisomas

El equipo de Bartel se centró en los peroxisomas agrandados, especialmente en una proteína llamada PEX11. Investigaciones anteriores ya habían establecido que PEX11 ayuda a la división de los peroxisomas. Sin embargo, un nuevo estudio publicado en Nature Communications reveló que esta proteína también regula cómo los peroxisomas se expanden y contraen durante el desarrollo temprano de las plantas.

Nathan Tharp, estudiante de posgrado y primer autor del estudio, mencionó que "los peroxisomas están implicados en algunas enfermedades humanas y se utilizan en bioingeniería, pero pueden ser difíciles de estudiar".

Estudio mediante CRISPR de una proteína compleja

Una estrategia común para comprender el funcionamiento de una proteína es desactivar el gen responsable de su producción y observar los efectos. En este caso, la situación fue más complicada, ya que PEX11 se produce a partir de cinco genes diferentes. La alteración de uno solo de ellos tuvo poco efecto, pero eliminar los cinco provocó la muerte de la planta, lo que dificultó la identificación de la función de la proteína.

Para superar este obstáculo, Tharp utilizó técnicas avanzadas de CRISPR para desactivar selectivamente diferentes combinaciones de los cinco genes.

"Pude usar avances recientes en CRISPR para romper combinaciones específicas de los cinco genes", comentó Tharp, quien recientemente defendió su tesis. "Fue solo entonces que pudimos ver que PEX11 está claramente involucrado en el control del crecimiento del peroxisoma durante la etapa de semilla a plántula".

Peroxisomas gigantes revelan el mecanismo de control del crecimiento

Tharp diseñó dos tipos de plantas mutantes, cada una sin un conjunto particular de genes PEX11. En ambos casos, los peroxisomas se expandieron durante la etapa de semilla a plántula como se esperaba. Sin embargo, en lugar de reducirse a su tamaño habitual, algunos continuaron creciendo más allá de los límites normales. En casos extremos, los peroxisomas se extendieron de un extremo de la célula al otro.

Estas células mutantes también carecían de vesículas, pequeños compartimentos rodeados por membranas que normalmente se forman dentro del peroxisoma durante el procesamiento de ácidos grasos. En condiciones normales, estas vesículas se desarrollan a medida que el peroxisoma crece y parecen eliminar porciones de su membrana externa.

"Las vesículas que toman partes de la membrana a medida que se forman pueden ayudar a controlar el crecimiento del peroxisoma", explicó Tharp. "En nuestros mutantes PEX11, estas vesículas o no se forman o son anormalmente pequeñas y raras, y por eso vemos estos peroxisomas masivos, mucho más grandes de lo normal".

Hallazgos aplicables a otras especies

Aunque la investigación se centró en las plantas, Tharp quiso investigar si el mismo mecanismo podría existir en otros organismos. Para probar esta idea, introdujo la versión de la proteína de levadura, llamada Pex11, en las células mutantes de la planta.

"Introdujimos Pex11 de levadura en nuestras células mutantes de planta para ver si podía devolver los peroxisomas a la normalidad", relató Tharp. "Y lo logró".

Este resultado sugiere que Pex11 cumple una función similar en levaduras que en plantas, a pesar de la vasta distancia evolutiva entre ellas. Debido a esto, la proteína también podría desempeñar un papel comparable en otros tipos de células, incluidas las células humanas.

"Encontrar que esta proteína cumple el mismo papel en células de levadura y plantas sugiere que podría ser una proteína altamente conservada", afirmó Bartel. "Nuestros hallazgos en plantas, en este modelo relativamente fácil de estudiar, podrían ser aplicables a células humanas y células utilizadas para bioingeniería".