Jugar a ser bacteria en la “playstation”
En el número del 20 de julio de la revista Cell se ha publicado un modelo teórico que reproduce la vida de una bacteria en el ordenador. Los investigadores, de la Universidad de Stanford y del J. Craig Venter Institute, han conseguido formular un conjunto de ecuaciones que definen cada una de las reacciones bioquímicas que ocurren en una bacteria patógena muy sencilla, Mycoplasma genitalium, e integrarlas en un modelo matemático que puede ser resuelto en un ordenador, de bastante potencia (un conjunto “128 core Linux cluster”).
Esquema de los procesos que se han modelizado en la simulación del ciclo celular de Mycoplasma genitalium. Fuente: enlace.
El modelo les permite predecir, entre muchas cosas, datos como qué genes del conjunto de los 525 que posee la bacteria son imprescindibles para la vida y cuáles codifican productos que pueden ser sustituidos, al menos en parte, por otros. Esta capacidad predictiva ha sido usada para poner a prueba la validez del modelo. También el modelo puede reproducir los efectos de algunas mutaciones que afectan a la replicación del ADN. Hace más de cuarenta años la genética molecular de una bacteria más compleja, Escherichia coli, con casi diez veces más de genes, ya había demostrado que las mutaciones que inactivan un gen llamado thyA eran letales. La mutación de este gen impide que se produzca timina, uno de los precursores del ADN, si no hay timina no se puede replicar el cromosoma y la bacteria muere. Pero si al mutante se le suministra timina se le puede rescatar. Añadiendo poca cantidad de timina el mutante puede crecer, pero los resultados de Arieh Zaritsky y Bob Pritchard en la Universidad de Leicester demostraron que la replicación no podía ir a la velocidad normal. Por contra el crecimiento, o sea el aumento en masa, sí que se mantenía al mismo ritmo que en la estirpe no mutada. Esta es una de las observaciones que ahora se puede deducir de la simulación hecha en el ordenador.
Transición de células de un mutante thyA de E. coli desde una concentración alta a otra baja de timina. La masa de las células aumenta mucho y la cantidad de ADN (en negro) es asimismo mayor. Fuente. enlace.
Ya en 1968 Willie Donachie, del Departamento de Biología Molecular de Edimburgo, también había demostrado que cada vez que se alcanza una masa múltiplo de la que se necesita para iniciar la replicación del cromosoma aparece un nuevo complejo replicador. Este mecanismo consigue iniciar la replicación del cromosoma aunque la replicación anterior no haya acabado. En el mutante thyA el aumento en masa no puede conducir a la división celular hasta que el cromosoma ha acabado de replicar, y como tarda mucho en hacerlo se va convirtiendo en una célula muy grande, en la que al aumentar la masa se van iniciando más y más replicaciones en el cromosoma. Se forman así células muy grandes, gruesas y con mucho ADN. Estas anomalías desaparecen si la cantidad de timina suministrada a los cultivos es mucho mayor, o también si se introduce una mutación adicional en uno de los genes deo. Los mutantes dobles (thyA, deo) no necesitan concentraciones de timina alta para mantener la replicación de su cromosoma a velocidades normales y la mutación en un gen deo devuelve todo a la normalidad.
El modelo también muestra que la iniciación de la replicación depende, como ya se sabía, de la unión de suficientes moléculas de la proteína DnaA al origen de replicación del cromosoma. Esto fue extensamente estudiado experimentalmente, también en la más compleja E. coli, por Walter Messer y sus colaboradores en el Max Planck Institute de Berlín hace ya quince años.
Menos preciso parece el procedimiento que se ha usado para simular en el modelo el proceso de división celular. Se ha recurrido para ello a formular unas ecuaciones que van disminuyendo gradualmente el diámetro de la célula en su centro, lógicamente cuando la célula se divide el diámetro del sitio de división será cero. Pero al hacerlo, y como la división celular es un proceso poco conocido en Mycoplasma, los autores han recurrido a un conjunto de observaciones en especies alejadas a la que estudian y que incluso son bastante discutibles. Entre las más arriesgadas se encuentra que no tienen en cuenta que la proteína FtsZ, la encargada de disminuir ese diámetro, no puede normalmente agarrarse por sí sola a la membrana y en Mycoplasma no se conoce si lo hace, como en E. coli, asociándose a otras proteínas como ZipA y FtsA que sí se unen a la membrana. Por otro lado se ignora cómo se puede estabilizar la disminución gradual del diámetro de una membrana elástica a lo largo del proceso, para salir del paso han supuesto que lo puede hacer según un modelo que no ha sido comprobado experimentalmente. Sabemos que en E. coli la constricción gradual de la membrana se estabiliza por la síntesis de peptidoglicano, una molécula rígida que va adoptando un diámetro cada vez menor siguiendo a la membrana a lo largo del proceso de constricción. Ocurre que Mycoplasma no tiene peptidoglicano, pero es que también puede dividirse aunque no produzca FtsZ. Este y otros puntos grises, junto con la diversidad fascinante de las bacterias, hacen pensar que fuera de la playstation todavía queda mucho trabajo por hacer en el laboratorio.