25 julio, 2011

La larva de una mosca sobrevive a la criopreservación gracias a la prolina

Tal vez muchos recuerden el primer episodio de la serie animada Futurama, en la cual Phillip J. Fry cae por casualidad torpeza en una cápsula criogénica y permanece ahí por 1,000 años, haciendo sin querer queriendo un viaje hacia el futuro. Pero, ¿se puede mantener congelado a alguien por tanto tiempo y despertarlo sin daño aparente alguno?. Se ha visto que se pueden congelar virus, bacterias, semillas de plantas, hasta espermatozoides por mucho tiempo y aún así mantenerse viables, pero no ocurre lo mismo con organismos más complejos como los animales.

Sin embargo, existen insectos que viven en regiones polares capaces de soportar temperaturas muy bajas en un estado de dormancia conocido como diapausa. Científicos de la Academia de Ciencias de la República Checa han revelado los parámetros bioquímicos y fisiológicos de la larva de una mosca (Chymomyza costata) que le permiten tolerar el frío y sobrevivir a un congelamiento en nitrógeno líquido, siendo el metazoo más complejo capaz de soportar una criopreservación. El estudio fue publicado hoy en PNAS.

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La mosca C. costata es pariente de la archiconocida mosca de la fruta y vive en las regiones Holárticas. La importancia de este insecto es la habilidad de sus larvas de soportar temperaturas que pueden alcanzar los –25°C en un estado de dormancia conocido como diapausa. En 1996, Moon et al. demostraron que, en este estado, la larva era capaz de sobrevivir a una criopreservación en nitrógeno líquido (-196°C) por una hora, siendo el metazoo más complejo conocido capaz de soportar este experimento. Sin embargo, hasta ahora no se sabía qué procesos bioquímicos y fisiológicos estaban involucrados con esta habilidad.

El principal problema en la criopreservación es la formación de cristales de agua, los cuales pueden dañar irreversiblemente las frágiles estructuras celulares. Los científicos observaron que cuando la larva de C. costa entraba al estado de diapausa, el agua osmóticamente activa (OA) se reducía. Esta agua, por su baja concentración de solutos, se congela fácilmente.

Este mecanismo es usado por muchos organismos capaces de soportar temperaturas bajo el punto de congelación del agua. Lo que hacen es empezar a formar cristales de agua gracias a los agentes nucleadores presentes en sus fluidos corporales (Ej.: la hemolinfa de los insectos). Estos cristales aumentan la concentración de solutos fuera de las células y las empiezan a deshidratar (el agua sale de las células por ósmosis). Las células deshidratadas o con bajas cantidades de agua OA no se congelan y reducen la formación de los cristales letales en el citoplasma.

Sin embargo, la capacidad de sobrevivencia de C. costata va más allá de los límites ecológicos de la tolerancia a la congelación. Después de haber sido congelados lentamente hasta -32°C, estas larvas soportan una inmersión en nitrógeno líquido sin pérdida aparente de agua y sobreviven en el 62% de los casos.

Normalmente, cuando se hace un protocolo de criopreservación —por ejemplo, de óvulos— se usan una serie de compuestos químicos que protegen a las células de la formación de los letales cristales de agua intracelulares. A estos compuestos se les llama agentes crioprotectores, cuya función es vitrificar las células. El citoplasma pasa a formar una solución vitrificada que se caracteriza por tener la consistencia de cristal amorfo, que se asemeja a un material sólido pero que mantiene las propiedades físicas de un líquido.

Para determinar cuáles son los agentes crioprotectores producidos por las larvas de C. costata, los investigadores hicieron un estudio metabólico completo tanto de las larvas en estado normal como aquellas en estado de diapausa. Los resultados mostraron que los niveles de prolina aumentaron más de siete veces en el estado de diapausa (de 20mM a 147mM). La función de la prolina como agente crioprotector ya había sido demostrada previamente en otros organismos.

Finalmente, para demostrar que la prolina era la responsable de la tolerancia al congelamiento, los investigadores alimentaron a un grupo de larvas con una dieta rica en prolina y observaron que estas larvas aumentaron su tasa de supervivencia al congelamiento, a pesar de no entrar antes al estado de diapausa.

Así que tanto la deshidratación de las células (pérdida de ~15% del agua corporal) como el aumento de los niveles de prolina, modificaron la osmolaridad de las larvas y les permitieron tolerar los efectos negativos de la criopreservación. Además, cuando las larvas eran sometidas a un proceso de aclimatación al frío, el porcentaje de supervivencia también aumentó. Sin embargo, los resultados demuestran que lo más importante es el aumento de la prolina ya que su efecto sobre la supervivencia al congelamiento mejoró sin la necesidad de que las larvas entren al estado de diapausa.

La prolina, por ser un aminoácido hidrofóbico y de estructura especial (amina secundaria), ayuda a mantener la estructura de las proteínas dándoles mayor flexibilidad y protegiéndolas de la desnaturalización. Además, puede llegar a intercalarse entre los grupos fosfato de los fosfolípidos que constituyen las membranas celulares, aliviando el estrés mecánico al que están sometidos durante la congelación.


Referencia:

ResearchBlogging.orgKostal, V., Zahradnickova, H., & Simek, P. (2011). Hyperprolinemic larvae of the drosophilid fly, Chymomyza costata, survive cryopreservation in liquid nitrogen Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1107060108

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