Una sola célula humana está repleta de 100.000 proteínas diferentes. La actina es una de las más abundantes y esenciales de todas. Esta proteína forma filamentos que ayudan a formar el esqueleto de las células, dándoles forma. Y a medida que los filamentos de actina se alargan, funcionan como músculos, empujando contra la membrana interna de una célula para moverla hacia adelante.

Se sabe que otras tres proteínas impulsan las actividades de la actina. Una clase de proteína ensambla moléculas de actina individuales en filamentos de actina, otra hace que los filamentos dejen de crecer y una tercera los desarma.

Los biofísicos de la Universidad de Emory, sin embargo, han descubierto una visión aún más compleja y matizada de cómo estas tres proteínas juntas influyen en la dinámica de la actina. Nature Communications publicó los hallazgos, que muestran cómo estas proteínas a veces pasan de actuar en solitario o en dúo a actuar como un trío, lo que les permite ajustar la actividad de los filamentos de actina.

El descubrimiento abre otra ventana a la dinámica del movimiento celular, que es clave para procesos que van desde la diferenciación de células madre y la cicatrización de heridas hasta el desarrollo de enfermedades como el cáncer.

« Descubrimos que si bien estas tres proteínas hacen una cosa cuando trabajan solas, hacen una cosa completamente diferente cuando las otras dos proteínas se unen a ellas », dice Shashank Shekhar, profesor asistente de física y biología celular de Emory y autor principal del estudio. « Se vuelve realmente complejo, muy rápido ».

« Nadie había observado todas estas proteínas interactuando a la vez con la actina », agrega Heidi Ulrichs, coautora del estudio y candidata a doctorado en bioquímica, biología celular y del desarrollo de Emory. « Nuestro artículo es el primer informe de los tres ocupando el mismo extremo con púas de un filamento de actina ».

Ulrichs trabajó en estrecha colaboración en el proyecto con Ignas Gaska, becario postdoctoral en el laboratorio de Shekkhar y coautor del artículo.

La investigación sobre cómo las proteínas actúan individualmente sobre la actina está relativamente bien caracterizada.

Una proteína polimerasa, como la formina, impulsa el alargamiento de la actina. Formin se posiciona al final de un filamento de actina, se agarra a las moléculas de actina que flotan libremente y las apila una por una para seguir creciendo al final.

Las proteínas despolimerasas, como la twinfilina, son otra clase de proteínas que influyen en la actina. Twinfilin funciona como un rodillo quitapelusas, uniéndose al extremo de un filamento y despegando una molécula a la vez. Twinfilin puede repetir el proceso para desmontar el filamento de actina por completo.

Las proteínas conocidas como cappers pueden detener el alargamiento y el desmontaje de los filamentos. Un bloqueador se adhiere al extremo de un filamento de actina y lo cubre como un sombrero, bloqueando la actividad de las otras proteínas.

Este conocimiento se construyó aislando una proteína a la vez para estudiar cómo influye en la actina. Estudios más recientes también han mostrado interacciones simultáneas entre twinfilin y proteínas de protección.

Para el estudio actual, los investigadores querían explorar si la formina, la twinfilina y la proteína de protección podrían actuar las tres simultáneamente sobre la actina.

« El extremo de un filamento de actina es realmente pequeño, de solo cinco nanómetros de ancho », explica Shekhar. « Un pensamiento fue que simplemente no hay suficiente espacio disponible para que tres proteínas funcionen en un solo filamento de actina a la vez ».

El Shekhar Lab es uno de los pocos en el mundo que utiliza la técnica altamente especializada de microscopía de fluorescencia de reflexión interna total asistida por microfluidos (mf-TIRF) para estudiar cómo se remodela el citoesqueleto de actina.

Las células están llenas de miles de proteínas que se mueven y realizan diferentes funciones, por lo que es imposible rastrearlas todas. Los investigadores deben aislar las proteínas de interés y estudiarlas fuera de un sistema celular, introduciéndolas en un sistema de microfluidos en un portaobjetos de microscopio.

La tecnología mf-TIRF permite que Shekhar Lab adjunte orbes fluorescentes a moléculas de proteína individuales para que los investigadores puedan observar mejor lo que hacen estas moléculas a través de un microscopio.

En los experimentos, los investigadores etiquetaron moléculas de actina, formina, twinfilin y la proteína de protección con cuatro colores diferentes que emitían luz fluorescente. Luego introdujeron actina en el sistema de microfluidos y agregaron las otras proteínas una a la vez.

Los resultados los sorprendieron.

Cuando se añadió twinfilin, la proteína que rompe un filamento de actina, en presencia de formina y la proteína de protección, twinfilin en realidad funcionó para acelerar el proceso de elongación del filamento.

« Eso es contrario a la intuición, lo cual es genial », dice Ulrichs. « Haciendo ciencia te sorprendes todo el tiempo ».

La twinfilina sola no podía unirse a la forma en el extremo del filamento de actina. Sin embargo, cuando la proteína protectora también estaba presente, los tres podían trabajar juntos simultáneamente en la diminuta superficie del filamento de actina.

Shekhar compara los efectos de las tres proteínas trabajando juntas con una perilla que permite un control más preciso de un proceso.

« Nuestros hallazgos establecen un nuevo paradigma en el que las tres proteínas trabajan en conjunto para ajustar la rapidez o la lentitud con la que se forman los filamentos de actina », dice.

La dinámica de cómo las tres proteínas interactúan con la actina es fundamental para desentrañar los complejos misterios de cómo funcionan normalmente las células y qué sucede cuando algo sale mal.

“Estamos acumulando conocimientos, paso a paso, estudio a estudio, sobre la dinámica de lo que sucede dentro de una célula”, dice Ulrichs.