Gloria Brea Calvo
‘Con ciencia de mujer’: investigadores de la UPO nos hablan de sus científicas de referencia

En nuestro laboratorio del Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (CABD), un centro mixto de la Universidad Pablo de Olavide, el CSIC y la Junta de Andalucía, intentamos entender algunas enfermedades poco frecuentes producidas por el funcionamiento defectuoso de las mitocondrias.

¿Qué son las mitocondrias? Son estructuras especializadas en generar la energía necesaria para realizar los procesos vitales, compartimentos subcelulares propios de las células eucariotas, las que forman organismos como tú o como yo, pero también como la levadura del pan o un lirio del campo…Las células eucariotas (del griego eu, ‘verdadero’ y karyon, ‘núcleo’) son aquellas que mantienen su material genético en un espacio rodeado de membrana, el núcleo. Este tipo de células contiene más compartimentos limitados por membranas, orgánulos especializados que separan entre sí diferentes conjuntos de reacciones bioquímicas y que conforman la vida misma. Las células procariotas, al contrario, no tienen núcleo ni otros compartimentos (aquí hay excepciones, pero no vamos a hablar de ellas hoy) y todas sus reacciones vitales ocurren en un mismo espacio compartido. Siempre pongo el mismo ejemplo: es como si las células eucariotas fuesen una casa independiente y las procariotas un loft. Bacterias y arqueobacterias son células procariotas. Las primeras células que poblaban la Tierra primitiva eran procariotas.

Aunque aún los libros de texto no están actualizados, hoy sabemos que la mitocondria es una red dinámica e interconectada de túbulos de doble membrana. Cuando digo esto en clase siempre se oyen murmullos: “¿Por qué nunca nos lo han contado?” – Caras de asombro-. “Siempre nos han dicho que las mitocondrias tienen forma de habichuelita”. Y así es. Siempre lo leí así en los libros de texto. Pero no, y el desarrollo de la microscopía confocal y de fluorescencia tiene mucho que ver con este descubrimiento.

Desde el momento en que oí hablar de las mitocondrias, me fascinaron. Recuerdo que quien primero me habló sobre ellas fue mi profesora del instituto, Tere Muñoz. Contaba la biología con tanta pasión que me fue imposible pasar por alto la belleza de esta ciencia. Y en eso creo que se debe parecer a la gran bióloga estadounidense Lynn Margulis (1938-2011), una mujer entusiasta, ávida de conocimiento y revolucionaria. A pesar de ser un claro referente entre las biólogas y biólogos por su famosa y rompedora teoría de la endosimbiosis seriada (o simbiogénesis), poco suele hablarse del resto de sus aportaciones, aún más controvertidas si cabe, como la teoría de Gaia.

Su obra y todo lo que hay escrito sobre ella demuestran que era una mujer de mente abierta y curiosidad infinita, entusiasta y siempre dispuesta a argumentar y defender sus posiciones, para quien derribar teorías y repensarlas no suponía ningún problema. Su independencia lo impregnaba todo: trabajaba con unos pocos estudiantes y en un laboratorio muy pequeño, en parte por su resistencia a recibir financiación gubernamental, ya que pensaba que ello dañaría la integridad de su trabajo.

¿De dónde y cuándo surgieron en la evolución los orgánulos? Dónde está el origen de los compartimentos, cuáles fueron los pasos evolutivos que dieron lugar a los eucariotas, son preguntas inquietantes de la biología celular que aún siguen sin estar completamente resueltas. Lynn Margulis supo dar una respuesta certera a algunas de las cuestiones centrales de este asunto, proporcionando predicciones concretas e hipótesis verificables.

Con su teoría de la endosimbiosis, Lynn Margulis explicó el origen de mitocondrias y cloroplastos. Según esta teoría, hace miles de millones de años, en un mundo procariota altamente diverso, una célula procariota ancestral habría fagocitado a otra célula (una α-proteobacteria) con capacidad de consumir oxígeno para degradar materia orgánica y obtener energía útil. En contra de lo que habría ocurrido normalmente, en esta ocasión, la bacteria fagocitada habría sobrevivido intacta sin ser destruida. A lo largo del tiempo, habrían acabado haciéndose esenciales la una para la otra, se habría establecido una simbiosis. Aún no están claras qué ventajas habría acarreado en aquel momento esta novedosa asociación, pero lo que sí es cierto es que acabaría dando origen a la rama evolutiva que después derivaría en los animales, vegetales, hongos y protistas. En un evento posterior de endosimbiosis, una cianobacteria (bacteria con capacidad de utilizar la luz del sol para fijar carbono y sintetizar materia orgánica) habría dado origen a los cloroplastos y esa rama evolutiva al reino de los vegetales.

La idea de que en el origen de las células que forman nuestro organismo estén las bacterias me sigue pareciendo alucinante. Actualmente, la Teoría de la endosimbiosis está ampliamente aceptada por la comunidad científica, pero no fue nada fácil para Lynn, quien envió su trabajo a una docena de revistas antes de que fuese aceptado. Era una mujer perseverante y, sobre todas las cosas, confiaba en sus ideas. “No considero que mis ideas sean controvertidas –dijo una vez en una entrevista-, considero que son correctas”. El año pasado se cumplieron los 50 años de la publicación del desarrollo de su teoría (On the origin of mitosing cells, Journal of Theoretical Biology, 1967) en la que proponía que, junto a mitocondrias y cloroplastos, los flagelos eucariotas también tenían un origen procariota (recuerdo lo difícil que me resultó en su momento encontrar esta referencia original porque en 1967 Lynn Margulis firmaba como Lynn Sagan).

El rechazo que aún produce la idea de que los flagelos también tengan un origen bacteriano no desmerece en absoluto el mérito de haber propuesto con detalle y en profundidad un mecanismo evolutivo que daba forma y rescataba las desterradas teorías previas, enunciadas por científicos del siglo XIX y principios del XX, que ya hablaban de la simbiosis en el origen de las células eucariotas. Margulis supo hacer frente a la resistencia de la comunidad científica del momento a repensar los dogmas centrales de la biología. Fue objeto de duras críticas e incluso ataques y mofas por parte de los neodarwinistas, quienes no podían aceptar la idea de que la evolución podría haber ocurrido también por un mecanismo diferente a la acumulación gradual de mutaciones aleatorias y la acción de la selección natural. Lo que me parece más increíble de todo es que Margulis ideara esta teoría sin tener realmente conocimientos de biología molecular (las técnicas de secuenciación de ARN o ADN aún no se habían desarrollado, pero han sido técnicas clave en la demostración de la certeza de su teoría).

El proceso del origen evolutivo de las mitocondrias me parece tan intrigante como el mecanismo mediante el cual aquella bacteria ancestral ha llegado a convertirse en un complejo y dinámico sistema de túbulos que se extiende por toda la célula y que contiene cientos de copias de un material genético muy reducido (ADN mitocondrial o ADNmt). ¿Cuáles han sido las razones por las que la evolución ha favorecido el establecimiento de este tipo de organización? El ADNmt guarda la información para solamente parte de las estructuras funcionales que operan en el interior del orgánulo; el resto de las proteínas necesarias para que las mitocondrias funcionen están codificadas en el ADN nuclear y para el correcto funcionamiento del compartimento, es vital una muy fina comunicación entre los dos genomas. Cualquier fallo de coordinación puede derivar en problemas en el funcionamiento celular y, por tanto, ser el origen de patologías. Cómo los sistemas genéticos nuclear y mitocondrial se comunican es un tema enormemente atractivo y objeto de intensa investigación en la actualidad, pero para mí no lo es menos el propio proceso evolutivo mediante el cual aquella bacteria ancestral y su célula huésped han acabado montando tal sistema de comunicación.

Cómo mitocondria y núcleo se comunican es un tema central para entender las enfermedades en las que trabajamos en nuestro grupo de investigación. Las deficiencias primarias de Coenzima Q (CoQ) son patologías mitocondriales clínicamente muy heterogéneas, que se caracterizan por la dificultad para producir este lípido esencial para el funcionamiento de las mitocondrias. La síntesis del CoQ en humanos depende de al menos 15 genes que están codificados por el ADN nuclear, pero que realizan su función en la membrana mitocondrial interna. La mutación o la falta de cualquiera de estos genes tiene como consecuencia un descenso en los niveles de CoQ. Muchos habréis oído hablar del CoQ por sus (supuestas) propiedades cosméticas, pero esta molécula tiene una función mucho más trascendente que el retraso en la aparición de las arrugas de la piel. El CoQ está presente en casi todas las membranas de todas las células, pero su función en la mitocondria es vital: es uno de los eslabones en la cadena de elementos que permite la conversión de la energía que está almacenada en los alimentos en energía útil para la célula. Como en cualquier cadena, la ausencia de un eslabón, deriva en la perdida de conexión entre sus elementos y la imposibilidad de obtener energía suficiente por parte del organismo. Las mutaciones en COQ4, uno de los genes de síntesis de CoQ, provoca un descenso de los niveles de este lípido y reduce significativamente la capacidad de obtener energía suficiente para realizar las funciones normales. Los órganos que se ven principalmente afectados son aquellos en los que hay mayor requerimiento de energía, típicamente el músculo, el cerebro, pero también los riñones o el hígado. Gracias a las técnicas de secuenciación masiva, en los últimos años se van diagnosticando un mayor número de deficiencias en CoQ por mutaciones en COQ4. Aun así, hoy día solo hay 14 pacientes identificados en todo el mundo. La escasez de casos que estudiar y la alta heterogeneidad de los síntomas hacen que aún se siga careciendo de un diagnóstico diferencial rápido y eficaz para esta enfermedad que en la mayoría de los casos es devastadora y mortal en el periodo perinatal. Aún no sabemos qué hace exactamente COQ4, pero estamos seguros de que es esencial para la producción de CoQ. En el laboratorio estudiamos la fisiología de las mitocondrias de los pacientes con mutaciones patológicas en COQ4, cultivando las células de los propios pacientes y generando modelos celulares que las mimetizan mediante la técnica CRISPR/Cas9, descubierta por Francis Mójica y desarrollada por las pioneras Jenniffer Doudna y Emmanuele Charpentier, otras dos científicas que bien merecerían un artículo por abrir caminos inexplorados y ser fuente de inspiración para las generaciones que avanzamos en la senda de la ciencia, pero que dejaremos para otra ocasión.

Gloria Brea Calvo, Departamento de Fisiología, Anatomía y Biología Celular
CABD, Universidad  Pablo de Olavide. Sevilla