¿Un cambio de paradigma necesario para reinterpretar como ocurren los procesos celulares?

Por Dr. Luis A. Bagatolli

 El período formativo para aquel que conduce actividades docentes y científicas no contempla límites finitos. Estas actividades deben estar influenciadas por el manejo imparcial de contenidos conjuntamente con aspectos históricos relevantes, promoviendo discusiones constructivas sobre el material que se presenta. El buen balance entre estos ingredientes no solamente garantizaría los (necesarios) cambios epistémicos que mantienen la construcción sostenida del conocimiento sino también su traspaso adecuado hacia las generaciones que nos suceden. Sin embargo, debe reconocerse que en el campo de las ciencias naturales existen ciertas falencias en la discusión de aspectos históricos importantes, particularmente aquellos que abonaron la visión contemporánea de los sistemas biológicos. Reconociendo primero que todo aspecto histórico es trascendental para poder entender críticamente la construcción del pensamiento científico, se puede concluir lógicamente que la falta de este componente dificulta entender por qué razón determinadas visiones emergen como dominantes para explicar fenómenos biológicos. Esta última situación favorece inevitablemente el surgimiento de dogmas y su peligroso efecto colateral, el adoctrinamiento, que atenta directamente contra el pensamiento crítico. Un ejemplo concreto es la presentación de material de estudio a través de un relato único y como una “verdad” [a]incuestionable. Tal es el caso del modelo celular y la definición de su estado “vivo”.

Desde la descripción del fenómeno de ósmosis (Abbé Nollet, 1748) emergieron contemporáneamente dos escuelas de pensamiento para explicar la naturaleza celular.

La primera corresponde al modelo dominante y se conoce en nuestros días como “teoría de la membrana” [1]. Ésta contempla la célula como un sistema compartimentado por membranas semipermeables y que contiene en su interior agua[1] líquida, la cual actúa como un solvente pasivo para iones, moléculas y macromoléculas. En esta visión, el rol de estas membranas es central en el funcionamiento de la maquinaria celular, siendo la actividad celular dependiente de la energía que se genera metabólicamente (p.ej. hidrólisis de ATP, gradientes iónicos, etc.). Este modelo se basa en principios que emergen de la fisicoquímica de sistemas diluidos (p.ej. teoría de soluciones ideales, cinética de acción de masas, concepto de difusión), y en la noción que la célula existe en un estado estacionario dependiente del consumo de energía (a través de procesos que disipan energía).

La segunda escuela de pensamiento, conocida como “teoría o visión protoplásmica” (o en su forma más elaborada, Hipótesis de Asociación-Inducción, G.N. Ling 1962[c]) contempla la célula como un gel compartimentado, siendo central el rol del citoplasma celular. Dado que el medio intracelular se caracteriza por ser molecularmente hacinado (~200-350 mg/ml de proteína, véase la figura adjunta), esta hipótesis propone que el agua intracelular no existe exclusivamente en estado líquido, sino que puede adoptar reversiblemente un estado intermedio entre agua sólida y líquida (lo que se ha denominado la cuarta fase del agua [2]). Nótese que a diferencia del primer modelo el agua actúa aquí como un elemento activo. Esta transición, que modula las propiedades emergentes[d] (físicas) del medio intracelular desde un estado pasivo a uno activo, es regulada por la acción de metabolitos (p. ej. cantidad de ATP) los cuales, a través de procesos de asociación e inducción, causan reversiblemente la polarización[e] del agua intracelular y adsorción de iones sobre la matriz que conforman las proteínas del citoesqueleto [3]. Esta visión se funda en la fisicoquímica de sistemas coloidales, y disputa la idea que todo proceso celular conlleve exclusivamente disipación de energía (p.ej. considera posible la ocurrencia de procesos adiabáticos[f]) describiendo el estado vivo como un equilibrio metastable entre dos estados celulares, pasivo y activo, que no requieren suministro constante de energía para su mantenimiento.

Ambos modelos, aunque excluyentes, pueden explicar satisfactoriamente los paradigmas de la fisiología celular moderna. Sin embargo, y sin haber podido encontrar personalmente hasta ahora axiomas o experimentos que la refuten, es difícil figurar cualquier razón sensata que explique porqué la hipótesis de asociación-inducción ha sido silenciada, excluyéndose de todo material bibliográfico utilizado en la enseñanza de la biología celular. Esta discusión toma relevancia particularmente a partir de resultados recientes de nuestro grupo de investigación, los cuales se detallan a continuación.

Estudios realizados en suspensiones vivas de levaduras durante el proceso de fermentación han confirmado que existe un fuerte acoplamiento entre la dinámica del agua intracelular[g] y un proceso metabólico (glicólisis), el cual exhibe oscilaciones temporales [4]. Esta oscilación metabólica involucra la oscilación temporal de ATP (entre otros metabolitos), la cual exhibe el mismo período y se encuentra en fase con oscilaciones encontradas en la dinámica del agua intracelular. Este fenómeno que depende de la presencia de ATP y del normal funcionamiento del citoesqueleto celular [5], sugiere además la posible ocurrencia de procesos adiabáticos (observados a través de oscilaciones de temperatura durante las oscilaciones glicolíticas [6]), los cuales minimizan el consumo de energía del sistema. Todas estas observaciones están en armonía con el cúmulo de evidencias que avalan la hipótesis de asociación-inducción y que no pueden explicarse a través de la teoría de la membrana [7, 8].

Estos resultados sugieren que los factores ambientales que privilegian la ocurrencia de determinados procesos metabólicos (fermentación en levaduras en este caso, y activación de glicólisis para generar ATP) están directamente acoplados con las propiedades físicas (emergentes) de la célula, optimizando así el sistema para su funcionamiento adecuado en determinadas condiciones de contorno.

Trabajos publicados recientemente [9-11] han comenzado a discutir nuevamente la posible relevancia del estado coloidal del citosol celular, pero sin hacer referencia alguna al marco teórico provisto por la visión protoplásmica[h]  o cuestionar siquiera el modelo canónico. En ellos se propone la búsqueda de “nuevos mecanismos” ignorando los ya propuestos, reflejando esta situación las serias consecuencias del adoctrinamiento académico. En resumen, considerar la posibilidad de un cambio de paradigma basado en teorías sólidas, tal como la que brinda la fisicoquímica coloidal a través de la Hipótesis de Asociación-Inducción (y que actualmente está metafóricamente “divorciada” de la biología celular), podría echar luz sobre mecanismos alternativos importantes, suministrando sustanciales herramientas conceptuales para comprender en mayor profundidad las bases que rigen el funcionamiento celular y su estado vivo.

Notas al pie:
[a] “El científico, por oficio, se levanta por la mañana con la idea de poner la verdad vigente a prueba. La verdad científica, en virtud de este principio, es una verdad con minúscula, provisional, inacabada… No hay trauma en sustituir una verdad por otra. Ésta es la grandeza de la verdad científica. La hora de la verdad es su colisión con la realidad. La verdad científica se inclina ante la realidad, no importa la autoridad ni el prestigio de quien haya enunciado la verdad antigua o la nueva” Jorge Wagensberg
[b]  Paradójicamente, el agua se erige aún como una de los compuestos menos entendidos en comparación con otras sustancias presentes en nuestro entorno. Por ejemplo, y a diferencia de otras sustancias conocidas, la densidad del agua en su estado sólido es menor a la que exhibe en estado líquido. Este último aspecto se considera esencial para el sostenimiento de la vida y su evolución en nuestro planeta. Los sistemas vivos contienen en general un alto porcentaje de agua (~70-80% en masa).
[c] http://www.gilbertling.org/
[d] Refiere a propiedades de un determinado sistema que surgen del funcionamiento colectivo de sus partes, pero desaparecen cuando estas se aíslan individualmente.
[e] Las moléculas de agua se ordenan disminuyendo su velocidad de rotación.
[f] donde contrariamente a un proceso disipativo no existe intercambio de energía con el medio.
[g] Esta oscilación dinámica involucra fundamentalmente cambios en los modos de rotación del agua intracelular.
[h] el cual ofrece en mi opinión un marco adecuado para explicar estos resultados.

Referencias:

1)      Alberts, B. et al. Molecular Biology of the Cell (Garland Publishing, 1983).
2)      G.H. Pollack. The fourth phase of water (Ebner and Sons Publishers, 2013)
3)      G.N. Ling. Life at the cell and below cell level (Pacific Press, 2001)
4)      Seir Thoke H., Tobiesen A., Brewer J., Lyngs Hansen P., Stock R. P., Folke Olsen L. and Bagatolli L.A. 2015. “Tight coupling of metabolic oscillations and intracellular water dynamics in Saccharomyces cerevisiae” PLoS ONE 10(2): e0117308. doi:10.1371/journal.pone.0117308. view►
5)      Seir Thoke H., S. Thorsteinsson, R.P. Stock, L.A. Bagatolli and L. Folke Olsen. 2017. “The dynamics of intracellular water constrains glycolytic oscillations in Saccharomyces cerevisiae”, Scientific Reports, 7:16250 (doi:10.1038/s41598-017-16442-x) view►
6)      Seir Thoke H., L. F. Olsen, L. Duelund, R. P. Stock, T. Heimburg and L.A. Bagatolli. 2018. “Is a constant low entropy process at the root of glycolytic oscillations?” J. Biol. Physics, 44(3):419-431 view►
7)       Bagatolli, L.A. and Stock, R. P. 2016. “The cell as a gel: material for a conceptual discussion” Physiological Mini Reviews 9(5): 38-49 view►
8)      H. Seir Thoke, L.A. Bagatolli and L. F. Olsen. 2018. “Effect of macromolecular crowding on the kinetic of glycolytic enzymes and the behaviour of glycolysis in yeast” Integrative Biology, in press (DOI: 10.1039/c8ib00099a) view►
9)      A.A. Hyman and K. Simons. 2012. “Beyond oil and water: phase transitions in cells” Science 337, 1047-1049.
10)   A. Patel et al. 2017. “ATP as a biological hydrotrope” Science 356, 753–756.
11)   E. Dolgin. 2018. “Cell’s biology new phase” Nature 555-300-302.

 

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