Sin cerebro ni fuerza física, las medusas y sus parientes desarrollaron armas subcelulares

In 1957, oceanógrafo británico Antonio Laughton famosamente observado“Los océanos profundos cubren más de dos tercios de la superficie del mundo, y aún se sabe más sobre la forma de la superficie de la luna que sobre la del fondo del océano”.¹

Décadas después, Anna Klompen Encontré esta cita, que despertó su interés por la biología marina. Evitando la carismática megafauna del océano, Klompen recurrió a los poco conocidos cnidarios, un filo heterogéneo que incluye corales, anémonas de mar, Hidra, medusa de caja y medusa verdadera. Los cnidarios no tienen cerebro ni músculos fuertes ni dientes afilados, y la mayoría son lentos o incluso sésiles. Sin embargo, pueden ser depredadores formidables gracias a sus deslumbrantemente complejos sistemas de veneno.

Los cnidarios producen una amplia gama de toxinas, a partir de la anémona de mar. neurotoxinas que actúan sobre los canales de sodio al potente toxinas hemolíticas en caja medusas.^2,3 Estas criaturas también administran su veneno de una manera inusual: orgánulos especializados llamados nematocistos son cápsulas sensibles al tacto altamente presurizadas que se abren con una velocidad increíble para expulsar dardos cargados de toxinas hacia cualquier criatura que tenga la mala suerte de rozarlos. Comprender la biomecánica de estas cápsulas puede inspirar nuevos diseños de microdispositivos para entrega de drogas y otras aplicaciones.^4,5

Klompen, ahora investigador postdoctoral en el Instituto Stowers de Investigación Médica, habló sobre la genética de las toxinas de las medusas, la biomecánica de los orgánulos urticantes y cómo los estudios de cnidarios pueden ayudar a los científicos a comprender cómo las células construyen su maquinaria interna.

¿Qué tipos de toxinas hay en los venenos de los cnidarios?

Sus venenos contienen una variedad de biomoléculas que tienen diferentes mecanismos de acción. Gran parte del trabajo de descubrimiento de fármacos utilizando cnidarios se ha centrado en las anémonas de mar, incluidas Nematostella vectensis. Esto se debe a que los venenos de las anémonas de mar a menudo contienen muchas neurotoxinas que se dirigen a diferentes canales iónicos con una alta especificidad. Eso es ideal para una droga. Queremos que se dirija a un canal específico y queremos que realice una acción precisa.

Los venenos de las medusas tienen menos neurotoxinas; en cambio, tienen toxinas que forman poros, así como diferentes tipos de enzimas que descomponen proteínas y lípidos.⁶ Esto no es tan ideal para los medicamentos, pero algunas de estas enzimas podrían ser lo suficientemente específicas como para ser interesantes de explorar como herramientas moleculares.

Para construir una imagen más completa de los numerosos componentes de los venenos de cnidarios, los investigadores utilizan genes de toxinas conocidos de otras especies como guía para buscar “nuevas” toxinas de cnidarios. Sin embargo, muchas secuencias del genoma parecen similares a las de las toxinas, aunque la proteína que codifican realiza otra función.

Por ejemplo, cuando analizamos tejido de un pólipo completo de la especie Hidractinia symbiolongicarpusencontramos más de 150 genes parecidos al veneno en el transcriptoma.⁷ En un animal como una serpiente, los investigadores podrían centrarse en el transcriptoma de la glándula venenosa para ayudar a determinar qué genes codifican las verdaderas toxinas del veneno. Sin embargo, los sistemas de veneno de los cnidarios no están centralizados de esta manera, lo que dificulta determinar qué genes son realmente importantes para el veneno.

hidractinia Son animales coloniales. Están formados por muchos pequeños animales genéticamente idénticos que están interconectados por diminutos tubos. A través de estos tubos, compartir alimentos, precursores de células urticantes e incluso tipos específicos de células madre.⁸ También son modulares. Dentro de la colonia, algunos individuos capturan presas y se las comen, mientras que otros simplemente se reproducen. Quería investigar qué genes similares al veneno se expresaban en las células urticantes y también si el “trabajo” de un pólipo moldeaba su perfil de toxinas, lo que podría indicar que usan diferentes toxinas para diferentes propósitos.

Para saberlo, hice un transgénico hidractinia línea que expresaba una proteína roja fluorescente en células urticantes. Luego, utilizando la clasificación de células activadas por fluorescencia, separamos las células urticantes del resto del tejido y analizamos sus transcriptomas. Encontramos alrededor de 100 genes similares al veneno regulados positivamente en las células urticantes. Se descubrieron varios genes parecidos al veneno. expresado diferencialmente entre las células urticantes en diferentes tipos de pólipos, con un mayor número de genes similares a venenos regulados positivamente en los pólipos que se alimentan.⁷ Esto tiene sentido ya que estos pólipos podrían necesitar venenos más complejos para atrapar a sus presas, mientras que los pólipos reproductivos sólo necesitan veneno para defenderse. A través de estudios como este, podemos empezar a comprender cómo se relaciona la composición del veneno con su función.

¿Cómo liberan los cnidarios sus venenos?

Los cnidarios están decorados con decenas de miles de pequeños nematocistos producidos por células urticantes especializadas. Los nematocistos pueden tener un tamaño de entre cinco y 15 micrones, que es más delgado que una hoja de papel. Este es uno de los únicos ejemplos de un sistema de veneno de cuerpo completo en lugar de una glándula unida a colmillos o espinas.

La forma en que un nematocisto inyecta su veneno es realmente interesante. Los nematocistos están hechos de proteínas similares al colágeno que les permiten estar súper presurizados y dispararse extremadamente rápido. En una grabación, la estructura parecida a un arpón de un Hidra nematocisto aceleró a más de cinco millones de g en 700 nanosegundos.⁹ Podrían pasar días antes de que tengan la oportunidad de disparar estas células urticantes a sus presas desprevenidas, por lo que deben poder mantener esa presión durante largos períodos de tiempo.

Las estructuras proteicas de los nematocistos son únicas. Son casi como pequeñas agujas hipodérmicas huecas con varios tipos de púas. Desde un punto de vista biomecánico, son innovadores. Los cnidarios fabrican entre miles y decenas de miles de estas complejas estructuras todo el tiempo, y simplemente no sabemos cómo funciona ese proceso. Actualmente estoy utilizando una línea informadora de células urticantes de anémona de mar para aprender más sobre cómo se crean estas estructuras, lo que puede revelar conocimientos importantes que pueden usarse en futuras aplicaciones tecnológicas de inspiración biológica.

¿Qué pueden enseñar las células urticantes a los científicos sobre los procesos intracelulares fundamentales?

En mi investigación actual, estudio estas estructuras como una forma de explorar cómo las células se construyen a sí mismas y sus estructuras internas. A menudo pensamos que las células son los componentes básicos de la vida, pero en realidad están formadas por subunidades aún más pequeñas. ¿Cómo construyen las células orgánulos complejos como los nematocistos? Las proteínas que finalmente forman estos orgánulos urticantes tienen algunos atributos de autoensamblaje, y sabemos que los procesos de autoensamblaje y regulación genética que ayudan a construir estas estructuras funcionan juntos de alguna manera. Sin embargo, separar esos dos mecanismos es realmente difícil.

Debido a que las células urticantes son tan específicas y tan numerosas, podrían ser herramientas realmente buenas para responder ese tipo de preguntas: ¿Cómo se construyen las células? ¿Cuál es el aporte de cada uno de estos procesos de ensamblaje? ¿Y cómo podría eso ayudarnos a comprender otras características celulares complejas que podríamos ver en otros organismos?

Esta entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.

Referencias

1. Laughton AS. Explorando el fondo del océano profundo.Artes del JRS. 1957;106(5017):39-56.
2. Sachkova MI et al. El nacimiento y la muerte de toxinas con funciones distintas: un estudio de caso en la anémona de mar Nematostella.Mol Biol Evol. 2019;36(9):2001-2012.
3. Brinkman DL et al. Transcriptoma y proteoma del veneno de la medusa caja. Chironex fleckeri.Genómica BMC. 2015;16(1):407.
4. Tal Y et al. Liberación continua de fármacos por parte de la anémona de mar Nematostella vectensis Microcápsulas urticantes.Mar Drogas. 2014;12(2):734-745.
5. Karabulut A et al. La arquitectura y el mecanismo operativo de un orgánulo urticante cnidario.comuna nacional. 2022;13:3494.
6. Remigante A et al. Impacto de los venenos de escifozoos en la salud humana y opciones actuales de primeros auxilios para las picaduras.Toxinas (Basilea). 2018;10(4):133.
7. Klompen AML et al. Variación del sistema de veneno y división del trabajo en el hidrozoo colonial Hidractinia symbiolongicarpus.Toxico X. 2022;14:100113.
8. Frank U et al. El hidroide hidractinia: un representante de cnidarios versátil e informativo. Bioensayos. 2001;23(10):963-971.
9. Nüchter T et al. Cinética de descarga de nematocistos a escala de nanosegundos. Curr Biol. 2006;16(9):R316-R318.