Cómo es el organismo que se contrae más rápido que cualquier músculo humano y desconcierta a la ciencia

Un equipo de investigadores de universidades de Estados Unidos describió el mecanismo que permite al organismo unicelular Spirostomum ambiguum reducirse a 1/4 parte de su longitud en menos de 5 milisegundos, mediante una red de proteínas activada por iones de calcio.

El organismo es un ciliado, una clase de ser vivo de 1 sola célula que se desplaza con diminutas prolongaciones parecidas a pelos, llamadas cilios. Puede contraerse a una velocidad aproximada de 100 longitudes corporales por segundo y repetir el movimiento con rapidez.

La investigación fue publicada en Proceedings of the National Academy of Sciences y divulgada por ScienceDaily, a partir de materiales de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Los autores estudian si este sistema puede aportar principios para fabricar músculos artificiales más rápidos.

El estudio combinó microscopía electrónica e inmunofluorescencia, una técnica que utiliza anticuerpos marcados con sustancias fluorescentes para identificar y visualizar componentes específicos de las células, con el fin de observar ese proceso.

El calcio activa una contracción que supera la velocidad del músculo humano

Esta especie puede acortar su cuerpo en un lapso cientos de veces menor que el tiempo de un parpadeo. Sus fibras musculares no existen como tales, ya que los organismos de 1 sola célula no disponen de músculos comparables a los de los animales.

En su lugar, contiene estructuras fibrosas denominadas mionemas que están formadas por las proteínas centrin y Sfi1, capaces de unirse al calcio. Los iones de este elemento, partículas con carga eléctrica, actúan como la señal que pone en marcha el cambio de forma.

Mary Elting, profesora asociada de biofísica de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y una de las autoras, explicó que “la diferencia entre lo que Spirostomum puede hacer y lo que nosotros podemos hacer radica en qué impulsa la contracción y cómo es la maquinaria que la sustenta”.

La especialista añadió que “si logramos comprender esos procesos, podríamos construir sistemas sintéticos que imiten la velocidad y la potencia de este organismo unicelular”.

Aunque las fibras musculares humanas pueden reducirse en proporciones similares, lo hacen unas 10 veces más despacio. Esa diferencia llevó al equipo a examinar con detalle la estructura que hace posible la respuesta de este microorganismo.

Una red con forma de malla protege el interior de la célula

Las imágenes obtenidas por el grupo mostraron que los mionemas forman una red similar a una malla de pesca alrededor de la parte externa del ser vivo. Cuando comienza la contracción, esa trama se ajusta hacia adentro; después vuelve a su configuración previa.

Elting señaló que “la geometría de red es única porque permite que Spirostomum se contraiga de manera uniforme, lo que protege sus orgánulos internos (las estructuras celulares que funcionan como órganos) mientras se mueve con tanta rapidez”.

“Funciona porque la proteína Sfi1 del mionema puede pasar de rígida a flexible. En presencia de iones de calcio, la Sfi1 pierde su rigidez y se agrupa como una bola de espaguetis húmedos, lo que provoca que la red se apriete, reduciendo el tamaño del organismo”, explicó la investigadora.

Los investigadores consideran que este movimiento podría ayudar a la especie a escapar de depredadores o a comunicarse con otros ciliados. Sin embargo, el análisis no establece cuál de esas funciones cumple de manera concreta en su ambiente.

El mecanismo no depende del ATP como los músculos de animales

El modo en que este organismo obtiene la energía para contraerse difiere del que usan los músculos humanos. En las personas y otros animales, el proceso depende del trifosfato de adenosina, conocido como ATP, una molécula que almacena y libera energía para realizar trabajo celular.

En cambio, el ciliado parece apoyarse en un mecanismo asociado con los iones de calcio. Elting comparó ambos procesos con 2 formas de propulsión: “Comparar la forma en que se contraen nuestros músculos con el funcionamiento del Spirostomum es como comparar la gasolina con la energía eléctrica”.

La profesora precisó que el ATP atraviesa una transformación química y se consume como combustible, mientras que los iones cálcicos “actúan como una corriente eléctrica”. Aun así, el equipo todavía no conoce qué genera el voltaje que inicia esa corriente ni cómo se restablece el sistema para que el organismo vuelva a contraerse.

Esa capacidad de reinicio es una de las principales preguntas abiertas. En términos generales, las reacciones activadas por la señal química deberían producir un único efecto, pero este ciliado logra repetirlas.

“Comprender esos aspectos de su movimiento es fundamental para construir un músculo artificial rápido e independiente del ATP”, afirmó Elting. El próximo paso del equipo es precisar cómo el calcio desencadena la contracción y cómo la célula recupera su capacidad para repetirla.