Dimecres 16 de maig va venir Pere Roca-Cusachs, investigador de l’IBEC i professor de la UB, per explicar-nos com la física regula el nostre cos. Una altra finestra de la Biologia, que se’ns obre aquest trimestre.
Quan li van atorgar a Pere el Premi Ciutat de Barcelona en Ciències de la Vida, vaig escriure: “En la vida quotidiana estem sotmesos a diferents forces. Ni ens n’adonem, però és la força de la gravetat que ens fa tenir un pes. I és el fregament que permet que les nostres sabates puguin agafar-se contra la Terra i així permetre’ns de caminar; sobre el glaç, que té molt poc fregament, és molt més difícil. Sense les forces físiques, doncs, seria impensable realitzar moltes activitats importants de la vida.”
Però, com intervenen en els processos biològics aquestes forces? Com les relacions de força que ens permeten de caminar o de mantenir-nos erts es tradueixen a les cèl·lules? Com les forces poden canviar concentracions químiques de molècules?
La física cel·lular
Els factors físics òbviament influeixen en les comunitats de cèl·lules i de molècules. Fins ara per estudiar malalties moleculars com el càncer, que es tradueixen en un comportament cel·lular, es tenia en compte la seqüència genètica. Tot i que, de fet, ja es feia ús de la física per a un recurs diagnòstic inespecífic i groller -però efectiu- com és la palpació. Els tumors sòlids són més durs que el teixit que els envolta, sigui quin sigui aquest; cervell, pulmó, pàncrees…
Tot i aquest recurs diagnòstic, l’aspecte mecànic del comportament cel·lular i molecular havia estat ignorat com a tema de recerca fins fa quinze anys. Es desconeixia com les cèl·lules són capaces de detectar la rigidesa del teixit i perquè reaccionen de manera diferent si formen part d’un teixit normal, més tou, o tumoral, més dur.
Passió per la rigidesa
Com saben si el teixit envoltant és tou o dur?
Per adherir-se a les cèl·lules veïnes i als teixits del voltant, les cèl·lules fan servir unes molècules anomenades integrines, que s’hi enganxen, estiren i temptegen les característiques físiques de l’entorn; capten la rigidesa “ambiental” i, segons el que troben, es comporten d’una o altra manera.
Si la matriu extracel·lular és tova, les cèl·lules apliquen forces suaus, impedint la proliferació i el creixement cel·lular. En matrius rígides, l’adhesió és forta i les cèl·lules apliquen forces superiors. Les cèl·lules sanes aconsegueixen reduir la força que apliquen les integrines.
Però les cèl·lules cancerígenes expressen unes integrines diferents amb altres propietats; i quan l’entorn és més dur, les cèl·lules neoplàsiques apliquen més força i proliferen. Com en retroalimentació la rigidesa del teixit augmenta, els nòduls es fan més consistents. Però, com succeeix?
De la Física a la Química
La rigidesa, una característica física, contribueix a una cascada d’esdeveniments químics, ja que activa l’expressió d’alguns gens. Quanta més rigidesa, més s’activen els oncogens. Per això, quan el teixit es torna més rígid i les forces mecàniques augmenten, la malaltia progressa.
A més del càncer de mama, pàncrees i melanoma, entre altres; altres malalties provoquen un enduriment de la part afectada; com és el cas de la cirrosi hepàtica o la fibrosi quística pulmonar. Per tant, aconseguir controlar la rigidesa d’un teixit podria obrir una porta a combatre malalties relacionades aquests canvis físics.
En aquests casos, però també en en processos biològics no patològics -com el desenvolupament embrionari, la respiració, el batec del cor o el tancament de ferides-, milions de cèl·lules s’estiren i es deformen per adaptar-se al seu entorn. La membrana cel·lular suporta les deformacions i es plega sense trencar-se. Aquestes deformacions també les pateix la membrana nuclear.
Quan les forces físiques deformen el nucli de la cèl·lula, la tensió física que provoquen permet que els porus de la membrana nuclear s’obrin i hi entrin molècules que hi ha al citoplasma. En un estudi experimental, el grup de Roca-Cusachs va trobar que, si entra la proteïna YAP, es desencadena una cascada de transcripció de gens que acaben promovent una progressió tumoral. Per tant, si es pogués fer servir com a diana terapèutica la connexió mecànica entre el nucli i l’esquelet cel·lular, es podrien prevenir els efectes negatius de la rigidesa tissular que provoca la proliferació cel·lular tant en el càncer com en la fibrosi.
La rigidesa provoca també altres fenòmens moleculars. Les forces que les cèl·lules apliquen per a “tirar” de les integrines, despleguen físicament una altra molècula, la talina. En desplegar-se, provoca situacions successives que finalment acaben provocant de nou l’activació de YAP; cosa que no passa quan el teixit és tou; perquè la unió entre les integrines i el teixit es trenca abans que la talina no es desplegui, amb la qual cosa la YAP no s’activa. Intervenir en el desplegament de la proteïna podria ser una altra diana terapèutica.
Tècniques de laboratori
Per treballar en el nivell cel·lular i molecular, al laboratori de Pere van servir diverses tècniques adaptades. Per a moure les cèl·lules fan servir unes pinces magnètiques: envolten microesferes magnètiques de diàmetre inferior a una cèl·lula de matriu extracel·lular; les cèl·lules s’hi adhereixen i per magnetisme es poden desplaçar.
Una altra tècnica és la microscòpia de fluorescència. La resolució del microscopis òptics permet veure cèl·lules, però no molècules, que queden per sota de la longitud d’ona de la llum visible, que és de 100 nm. Per a veure molècules, calen altres tècniques. A no ser que les cèl·lules es tornin fluorescents, i encara es pugui aprofitar les capacitats de la microscòpia òptica.
Ja fa dècades que alguns investigadors van pensar en fer servir la capacitat de produir fluorescència natural a partir de la proteïna (GFP: green fluorescent protein) per a marcar altres molècules i poder-les veure al microscopi.
Si a la proteïna en estudi se li afegeix una molècula de GFP, ja se la podria veure de color verd brillant al microscopi òptic i traçar la seva localització. Per això, calia afegir el gen de la GFP abans del STOP de la proteïna que s’estudia i esperar que es traduís la seqüència completa.
En la dècada de 1960, el japonès Osamu Shimomura, químic orgànic i biòleg marí, va estudiar la bioluminescència de Aequorea victoria i va aïllar la GFP. Durant la dècada de 1990, l’investigador Douglas Prasher va seqüenciar i clonar el gen de la molècula GFP, amb l’objectiu de fer-la servir com a traçadora.
Però per manca de finançament, Prasher no va poder seguir amb la recerca i va donar el gen de la GPF que havia aïllat al seu col·laborador, Martin Chalfie, que el va poder introduir en Escherichia coli i aconseguir bacteris fluorescents. Un tercer científic, Roger Tsien, va aconseguir mutacions en la GFP, de manera que va obtenir fluorescència de diversos colors.
L’ús de la fluorescència en Biologia Molecular i Microbiologia ha permès de fer nombrosos descobriments, per això a Shimomura, Chalfie i Tsien el 2008 els van donar el Premi Nobel de Química. Prasher, que havia abandonat la recerca per manca de finançament, havia fet de conductor de cotxes de cortesia en un concessionari d’automòbils. El 2013 Tsien el va contractar al laboratori per a que reprengués la recerca.
Pere, com vas estudiar Biofísica?
Jo volia fer alguna activitat relacionada amb l’astronàutica, fins i tot vaig fer un màster. Però en acabar-lo anava molt desorientat. Un dia vaig anar a veure un company a la Físiques, que treballava al setè pis. L’ascensor no acabava de venir i vaig baixar a peu; en un pis vaig veure un anunci que es buscava un estudiant per fer pràctiques en Biofísica, i m’hi vaig apuntar. I aquí sóc, treballant en la intersecció; els físics pensen que sóc biòleg, els biòlegs s’adonen que sóc físic. M’agrada pensar qüestions científiques que ningú les ha pensades abans.
Imatges: Wikimedia commons o enllaç a IBEC.
