Las redes metabólicas celulares parecen alojar memoria asociativa

Una célula individual, a pesar de no tener cerebro, tendría conductas condicionadas similares a organismos con sistema nervioso central porque sus redes metabólicas son capaces de almacenar memoria asociativa, un proceso fisiológico que gobierna la migración celular, según un estudio multicéntrico publicado en Nature Communications en el que por primera vez se aborda un enfoque paradigmático utilizando un modelo amebiano.

Conocer estos comportamientos, que no se habían estudiado hasta ahora en organismos unicelulares, puede aportar luz a los mecanismos desencadenantes de algunas patologías, principalmente las relacionadas con la cognición, alteraciones cardiovasculares o cáncer, en las que la migración celular tiene un importante papel. En ese campo la posibilidad de redirigir las células abriría múltiples expectativas.

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Así lo explica el investigador del CSIC Ildefonso Martínez de la Fuente, IP del proyecto multidisciplinar coordinado desde el Centro de Edafología Aplicada del Segura de Murcia/CEBAS, junto al Instituto de Parasitología y Biomedicina de Granada, el Instituto de Biofísica de Lejona, científicos de las universidades del País Vasco y Ben-Gurion de Israel, y el Hospital de Cruces de Baracaldo. El grupo ha verificado que los organismos unicelulares tienen un comportamiento condicionado similar al descrito por Pavlov en los perros, tras sendas publicaciones de estudios metabólicos sistémicos que probaban que las redes metabólicas celulares son capaces de dinámicas tipo Hopfield (propias de redes neuronales).

“Vimos que, además de la memoria genética, el almacenamiento de información se produce en las redes metabólicas, fuera de las secuencias de las bases nucleotídicas que conforman los genes”, explica el científico, recalcando que era conocida la existencia de memoria epigenética, pero no se había relacionado nunca con las dinámicas de Hopfield.

A partir de ahí investigaron ese terreno inexplorado y describieron la citada relación en un trabajo publicado en Frontiers in Molecular Biosciences (2015), que aportaba el marco conceptual sobre este fenómeno. Entonces decidieron reproducir el proceso en organismos de una sola célula como la Amoeba proteus, ya que el movimiento ameboide es característico de muchas células humanas.

Migrar con precisión

Se centraron también en la migración celular como propiedad sistémica integral de las células que ayuda a mantener su estatus, tanto si son humanas como si viven en una charca, como la ameba. Las células necesitan entornos adecuados y migrar con alta precisión y control, o de lo contrario habrá problemas fisiológicos importantes, incluyendo la muerte celular.

Ildefonso Martínez de la Fuente, investigador del CSIC

Una vez comprobado que el condicionamiento asociativo estaba presente en la Amoeba proteus los investigadores confirmaron resultados en una segunda especie, la Metamoeba leningradensis, y ahora están avanzando en el estudio de un tercer organismo que aún no han desvelado, con el afán de demostrar que se trata de un “fenómeno universal de los organismos unicelulares” .

Cuando se expone a las amebas a un campo eléctrico corren siempre hacia el polo negativo. “Las amebas proteus son tan depredadoras como los leones de la sabana africana y parece que se sienten atraídas hacia esas señales, pero si les ponemos un péptido pequeño extraído de bacterias corren también hacia él”, relata el científico.

Haciendo esos experimentos basados en la metodología que Pavlov aplicó a sus perros hace cien años para mostrar los reflejos condicionados, observaron que podían cambiar las conductas de las células mediante un campo eléctrico y un péptido específico. De hecho fueron capaces de redirigirlas hacia otro lugar mediante un proceso de condicionamiento asociativo mediado por estímulos, pero sin actuar en el interior de la célula. En ese caso el campo eléctrico actúa como la campana de Pavlov y la proteína como el plato de comida para los perros. “Vimos que las células individuales se comportan de forma similar a lo que observó el ruso Pavlov. El hecho relevante es que aquí no hay sistema nervioso central, pero sí redes metabólicas sistémicas, como habíamos demostrado previamente con técnicas avanzadas de mecánica estadística y métodos computacionales. “Las células no solo eran capaces de aprender nuevos comportamientos migratorios, sino que supieron memorizar esos cambios durante largos procesos de tiempo (un promedio de 45 minutos) para luego olvidarlos, reproduciendo el mecanismo de la memoria asociativa originada por asociación de estímulos”.

Cognición primitiva

El investigador matiza que el proceso es similar al de los perros de Pavlov, pero no idéntico, y que deberían investigarse sus similitudes y diferencias “porque hablamos de organismos de naturaleza biológica gigantescamente distinta y que están separados por millones de años de evolución”. Sin embargo, insiste en que estas células sin cerebro tienen una propiedad cognitiva primitiva, la memoria asociativa, que les permite relacionarse eficientemente con el entorno para tomar decisiones, como huir de depredadores o buscar un hábitat adecuado. Al descubrimiento de cómo se desenvuelve la vida celular lo han llamado condicionamiento asociativo celular, propiedad que hace que las células tomen decisiones eficientes para determinar el destino de sus desplazamientos.

Tras un nuevo paradigma

Para Ildefonso Martínez de la Fuente se vislumbra la futura importancia biomédica del hallazgo, ya que desde el momento de la formación del embrión humano millones de células migran continuamente para formar órganos y tejidos. La migración celular debe ser definida y precisa para muchos procesos fisiológicos; en caso contrario, puede generarse alguna patología.

El grupo sigue trabajando en la comprensión del condicionamiento asociativo celular descrito, y también en una vertiente clínica, para comprobar cómo se manifiesta este proceso en condiciones normales y patológicas.

Son estudios integrales que abordan propiedades sistémicas desde diferentes laboratorios biológicos a la vez que incorporan técnicas físico-matemáticas y computacionales para interpretar los resultados.

“El enfoque de la biología celular sistémica es novedoso y multidisciplinar cuantitativo e integral y su finalidad será abrir una puerta a campos biomédicos inexplorados”, explica Martínez de la Fuente, aludiendo a que esos movimientos celulares podrían intervenir en la formación de tumores primarios y posteriormente de las metástasis. “Se está creando un nuevo marco de ideas donde interpretar el hecho biológico de forma cualitativamente diferente. Esto es lo que en ciencia se llama nuevos paradigmas”.

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