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Una vez que el microscopio electrónico estuvo disponible, los biólogos fueron capaces de examinar la estructura interna de una gran variedad de células. A partir de estos estudios se encontró que existen dos tipos básicos de células (procariotas y eucariotas) que se diferencian por su tamaño y sus estructuras internas u organelos (fig. 1.8). La existencia de dos clases distintas de células, sin intermediarios conocidos, constituye una de las divisiones de evolución más fundamentales en el mundo de la biología. Las células procariotas, que son más simples en términos estructurales, incluyen a las bacterias, mientras que las células eucariotas tienen una estructura más compleja e incluyen a los protistas, los hongos, las plantas y los animales.1
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No se sabe con certeza cuándo aparecieron las células procariotas por primera vez en la Tierra. La evidencia de vida procariota se obtuvo de rocas con cerca de 2 700 millones de años de edad. Estas rocas no contienen tan sólo microbios fosilizados, sino también moléculas orgánicas complejas que son características de tipos particulares de organismos procariotas, incluidas las cianobacterias. Es improbable que tales moléculas se sintetizaran de manera abiótica, esto es, sin la participación de células vivas. Las cianobacterias aparecieron hace casi 2 400 millones de años, cuando la atmósfera fue enriquecida con oxígeno molecular (O2), un producto secundario de la actividad fotosintética de estos organismos. El comienzo de la era de las células eucariotas también está rodeado de incertidumbre. Los animales complejos aparecieron de forma más repentina en los registros fósiles hace unos 600 millones de años, pero hay muchas evidencias de que organismos eucariotas más simples estuvieron presentes en la Tierra más de 1 000 millones de años antes. El tiempo estimado de la aparición sobre la Tierra de algunos de los principales grupos de organismos se muestra en la figura 1.9. Una vista superficial de esta figura revela la manera en que la vida apareció “pronto” después de la formación de la Tierra y el enfriamiento de su superficie, así como el tiempo que tomó la subsecuente evolución de los animales complejos y las plantas.
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Características que diferencian a las células procariotas de las eucariotas
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La siguiente es una breve comparación entre células procariotas y eucariotas que hace evidentes muchas diferencias básicas entre ellas, así como bastantes similitudes (fig. 1.8). Las semejanzas y las diferencias que hay entre los dos tipos de células se muestran en el cuadro 1.1. Las propiedades que comparten reflejan que las células eucariotas casi con certeza evolucionaron a partir de antepasados procariotas. A causa de su ancestro común, ambos tipos de células poseen un lenguaje genético idéntico, un grupo de vías metabólicas común y muchas propiedades estructurales compartidas. Por ejemplo, los dos tipos celulares están limitados por membranas plasmáticas de estructura semejante que sirven como una barrera de permeabilidad selectiva entre los mundos vivo e inerte. Ambas clases pueden estar recubiertas por una pared celular rígida que protege la delicada vida de su interior. Aunque las paredes celulares de procariotas y de eucariotas pueden tener funciones semejantes, su composición química es muy diferente.
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En su interior, las células eucariotas son mucho más complicadas (en cuanto a su estructura y función) que las procariotas (fig. 1.8). La diferencia de complejidad estructural es evidente en las micrografías electrónicas de una célula bacteriana y de una animal que se muestran en las figuras 1.18a y 1.10, de manera respectiva. Ambas contienen una región nuclear, la cual posee el material genético y está rodeada por citoplasma. El DNA de las procariotas está presente en un nucleoide: una región de la célula no bien delimitada, sin membrana, que lo separa del citoplasma circundante. En cambio, las eucariotas poseen un núcleo: una región separada por una estructura membranosa compleja llamada envoltura nuclear. Esta diferencia estructural es la base de los términos procariota (pro, antes; karyon, núcleo) y eucariota (eu, verdadero; karyon, núcleo). Las células procariotas contienen relativamente pequeñas cantidades de DNA; el contenido de dicha molécula en una bacteria oscila entre 600 000 y 8 millones de pares de bases, lo cual es suficiente para codificar de 500 a varios miles de proteínas.2 Aunque una “simple” levadura de panadería tiene sólo un poco más DNA (12 millones de pares de bases que codifican cerca de 6 200 proteínas) que las procariotas más complejas, la mayor parte de las eucariotas posee mucha más información genética. Todas las células poseen cromosomas que contienen DNA. Las eucariotas muestran un número determinado de cromosomas separados, cada uno de los cuales tiene una sola molécula lineal de DNA. En cambio, casi todas las procariotas que se han estudiado contienen un cromosoma circular único. Lo más importante es que el DNA cromosómico de las eucariotas, a diferencia del de las procariotas, se relaciona de manera estrecha con proteínas para formar un material nucleoproteínico complejo que se conoce como cromatina.
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El citoplasma de los dos tipos de células también es muy diferente. El de una eucariota se conforma con una gran diversidad de estructuras, como es evidente por el análisis de micrografías electrónicas de cualquier célula vegetal o animal (fig. 1.10). Incluso las levaduras, las células eucariotas más simples, son mucho más complejas que una bacteria promedio desde el punto de vista estructural (compárense las figs. 1.18a y b), aunque estos dos organismos poseen un número similar de genes. Las células eucariotas tienen una disposición de organelos limitados por membrana. Estos incluyen mitocondrias, donde la energía química está disponible para alimentar las actividades celulares; un retículo endoplásmico, donde se elaboran muchas proteínas y lípidos de la célula; el aparato de Golgi, el lugar en el que los materiales se clasifican, modifican y transportan a destinos específicos; y diferentes vesículas simples limitadas por membranas de tamaño variable. Las células vegetales muestran organelos membranosos adicionales, incluidos los cloroplastos (donde ocurre la fotosíntesis), y muchas veces una gran vacuola única que puede ocupar la mayor parte del volumen celular. Tomadas como un grupo, las membranas celulares eucariotas sirven para dividir el citoplasma en compartimientos, dentro de los cuales se llevan a cabo actividades especializadas. En cambio, el citoplasma de las células procariotas está libre, en esencia, de estructuras membranosas. Las membranas fotosintéticas complejas de las cianobacterias son una gran excepción a esta generalización (fig. 1.15).
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Las membranas citoplásmicas de las células eucariotas forman un sistema de conductos interconectados y vesículas que sirven para el transporte de sustancias de una parte a otra de la célula y entre su interior y el ambiente. A causa de su tamaño pequeño, la comunicación intracitoplásmica directa es menos importante en las células procariotas, en las que el flujo de materiales puede efectuarse por difusión simple.
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Las células eucariotas también contienen numerosas estructuras que carecen de membrana celular que las limite. Los túbulos alargados y los filamentos del citoesqueleto están incluidos en este grupo y participan en la contractilidad, el movimiento y el soporte celulares. Hasta hace poco tiempo se pensaba que las células procariotas carecían de citoesqueleto, pero en algunas bacterias se han encontrado filamentos de citoesqueleto primitivo. Por el momento es posible afirmar que el citoesqueleto de las procariotas es mucho más simple en términos estructurales y funcionales que el de las eucariotas. Ambos tipos de células tienen ribosomas, partículas no membranosas que funcionan como “mesas de trabajo” sobre las cuales las proteínas se elaboran. Aunque los ribosomas de las células procariotas y los de las eucariotas poseen dimensiones muy diferentes (los procariotas son más pequeños e incluyen mucho menos componentes), estas estructuras participan en el ensamblaje de proteínas con un mecanismo similar. La figura 1.11 muestra una micrografía electrónica con color artificial de una porción del extremo citoplásmico de un organismo eucariota unicelular. Ésta es una región de la célula en la que los organelos limitados por membrana tienden a estar ausentes. La micrografía muestra filamentos individuales del citoesqueleto (rojo) y otros complejos macromoleculares grandes del citoplasma (verde). Casi todos estos son ribosomas. Este tipo de imagen hace evidente que el citoplasma de una célula eucariota está lleno, lo cual deja poco espacio para la fase soluble del citoplasma, conocida como citosol.
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Entre las células eucariotas y procariotas pueden identificarse otras diferencias relevantes. Las primeras se dividen por un proceso complejo de mitosis, en el cual los cromosomas duplicados se condensan en estructuras compactas separadas por un sistema que contiene microtúbulos (fig. 1.12). Este aparato, conocido como huso mitótico, permite a cada célula hija recibir una cantidad equivalente de material genético. En las procariotas no hay compactación de los cromosomas ni huso mitótico. El DNA se duplica y las dos copias se separan de manera sencilla y precisa mediante el desarrollo de una membrana celular entre las dos.
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Las procariotas son organismos asexuados, puesto que sólo contienen una copia de su único cromosoma y carecen de procesos comparables a los de la meiosis, formación de gametos o fecundación verdadera. Aunque en las procariotas no hay una reproducción sexual verdadera, algunas son capaces de experimentar conjugación, en la cual un fragmento de DNA se transfiere de una célula a otra (fig. 1.13). Sin embargo, la célula receptora casi nunca recibe un cromosoma completo de la célula donadora y el estado en el cual el receptor contiene su DNA y el de su donador es transitorio, debido a que la célula regresa pronto a su condición de un solo cromosoma. Aunque las procariotas no suelen ser tan eficientes como las eucariotas para el intercambio de DNA con otros miembros de su propia especie, las primeras captan e incorporan DNA ajeno que se encuentra en el ambiente con más frecuencia que las segundas, lo cual ha tenido un impacto considerable en la evolución microbiana (pág. 29).
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Las eucariotas poseen diversos mecanismos de locomoción complejos, mientras que los de las procariotas son relativamente sencillos. El movimiento de éstas se lleva a cabo mediante un filamento delgado de proteína llamado flagelo, el cual sobresale de la célula y es capaz de girar (fig. 1.14a). Las rotaciones de dicha estructura, que pueden sobrepasar 1 000 veces por segundo, ejercen presión sobre el líquido circundante, impulsando la célula a través de su entorno. Algunas células eucariotas, incluidos muchos protistas y los espermatozoides, también poseen flagelos, sin embargo las versiones eucariotas son mucho más complejas que los filamentos proteínicos simples de las bacterias (fig. 1.14b) y el movimiento lo genera un mecanismo diferente.
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En los párrafos anteriores se mencionaron varias de las diferencias más relevantes entre los niveles de organización celular procariota y eucariota. En capítulos posteriores se revisan muchos de estos puntos. Antes de asegurar que las procariotas son inferiores, se debe considerar que estos organismos han permanecido en la Tierra durante más de 3 000 millones de años y billones de ellos se encuentran sobre la superficie del cuerpo humano y en el tubo digestivo, consumiendo en abundancia los nutrimentos que ahí se encuentran. Por lo común, se considera a estos microorganismos como criaturas individuales y solitarias, pero descubrimientos recientes mostraron que viven en complejas comunidades de múltiples especies llamadas biopelículas. Un ejemplo de éstas es la placa que cubre nuestros dientes. Las diferentes células en una biopelícula pueden realizar diferentes actividades especializadas, lo cual no difiere de lo que ocurre en el caso de las células de una planta o un animal. Obsérvese también que, desde el punto de vista metabólico, las procariotas son organismos muy complejos y evolucionados. Por ejemplo, una bacteria como Escherichia coli, habitante común del tubo digestivo de los seres humanos y de las cajas de cultivo del laboratorio, tiene la capacidad de vivir y prosperar en un medio que contiene uno o dos compuestos orgánicos de bajo peso molecular y pocos iones inorgánicos. Otras bacterias son capaces de vivir con una dieta que sólo consiste en sustancias inorgánicas. Se ha identificado una especie de bacterias en pozos de miles de metros de profundidad que vive en rocas basálticas y produce hidrógeno molecular (H2) debido a las reacciones inorgánicas que lleva a cabo. Por otro lado, las células eucariotas que tienen mayor capacidad metabólica requieren una gran variedad de compuestos orgánicos, incluidos un gran número de vitaminas y otras sustancias esenciales que ellas no pueden sintetizar por sí mismas. De hecho, muchos de estos componentes fundamentales de la dieta los producen las bacterias que por lo general viven en el intestino grueso.
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Tipos de células procariotas
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Las diferencias entre las células procariotas y las eucariotas se basan de manera principal en su complejidad estructural (como se detalla en el cuadro 1.1) y no en relaciones filogenéticas. Las procariotas se dividen en dos grandes grupos taxonómicos o dominios: Archaea (o arqueobacterias) y Bacteria (o eubacterias). De acuerdo con la opinión actual, los miembros del primer dominio se vinculan de forma más estrecha a las eucariotas que a otros grupos de procariotas (Bacteria). Los experimentos que permitieron descubrir que la vida está representada por tres distintas ramas se revisan en la sección Vías experimentales al final del capítulo.
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El dominio arqueobacteria incluye varios grupos de organismos cuyos lazos evolutivos se manifiestan por similitudes en las secuencias de nucleótidos de su material genético. Las especies más conocidas de arqueobacterias son las que viven en ambientes extremos e inhóspitos; a menudo se conocen como “extremófilas”. Entre estos organismos figuran los metanógenos (procariotas capaces de convertir los gases CO2 y H2 en metano [CH4]); los halófilos (procariotas que viven en ambientes en extremo salados, como el Mar Muerto o algunas cuencas oceánicas profundas con una salinidad equivalente a una solución 5M de MgCl2); los acidófilos (procariotas que tienen preferencias por ambientes ácidos, que viven a un pH tan bajo como cero, como los que se encuentran en los líquidos que drenan de las minas abandonadas); y los termófilos (procariotas que viven a muy altas temperaturas). En este último grupo se incluye a las hipertermófilas, que viven en chimeneas hidrotermales del fondo marino. Al poseedor del registro más elevado en este grupo se le denomina “cepa 121”, porque es capaz de vivir y dividirse en agua supercaliente con una temperatura de 121°C, que resulta ser la que se utiliza para esterilizar equipo quirúrgico en un autoclave. Análisis recientes de microbios terrestres y oceánicos indican que muchos miembros del dominio Archaea residen también en hábitat con temperatura, pH y salinidad normales.
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El resto de las procariotas se clasifican en el dominio Bacteria. Éste incluye a la célula viva más pequeña, el micoplasma (que tiene 0.2 μm de diámetro), que también es la única procariota conocida sin pared celular y que contiene un genoma con apenas 500 genes. Las bacterias están presentes en todo ambiente concebible sobre la Tierra, desde los hielos polares antárticos hasta los desiertos más secos de África y los confines internos de las plantas y los animales. Asimismo, hay que mencionar a las bacterias que viven en sustratos rocosos situados a varios kilómetros de profundidad. Se piensa que algunas de estas comunidades se aislaron de la vida en la superficie hace más de 100 millones de años. Las procariotas más complejas son las cianobacterias. Éstas poseen membranas citoplásmicas que sirven como sitios para la fotosíntesis (fig. 1.15a) y que son muy parecidas a las membranas fotosintéticas presentes dentro de los cloroplastos de las células vegetales. Como en las plantas, que son organismos eucariotas, la fotosíntesis en cianobacterias se lleva a cabo al romper las moléculas de agua para liberar oxígeno molecular.
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Muchas cianobacterias no sólo son capaces de realizar fotosíntesis, sino también la fijación de nitrógeno, esto es, la conversión de nitrógeno (N2) gaseoso en formas reducidas de dicho elemento (como amoniaco, NH3) que pueden utilizar las células en la síntesis de compuestos orgánicos nitrogenados, incluidos los aminoácidos y los nucleótidos. Estas especies celulares fotosintéticas capaces de fijar nitrógeno pueden sobrevivir con los recursos esenciales (luz, N2, CO2 y H2O). Por lo tanto, no es sorprendente que las cianobacterias sean los primeros organismos que colonizan las rocas sin vida que surgen de erupciones volcánicas. En la figura 1.15b se muestra otro hábitat poco común ocupado por estos organismos.
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Diversidad procariota La mayoría de los microbiólogos conoce sólo aquellos microorganismos que son capaces de crecer en un medio de cultivo. Cuando un paciente con alguna infección de las vías respiratorias o urinarias acude con su médico, uno de los primeros pasos es la solicitud del cultivo del agente patógeno. Una vez que se ha desarrollado, el patógeno puede identificarse y es posible establecer el tratamiento adecuado. Se ha observado que la siembra de la mayor parte de las procariotas patógenas es relativamente sencilla, al contrario del cultivo de las que viven de manera libre en la naturaleza. El problema es agravado por el hecho de que estos organismos son apenas visibles en un microscopio óptico y con frecuencia su morfología no se puede precisar. A la fecha se han identificado casi 6 000 especies de células procariotas por medio de técnicas tradicionales, lo que constituye menos de 0.1% de los millones de especies que se cree existen en la Tierra. La apreciación humana de la diversidad de las comunidades procariotas incrementó de forma espectacular en años recientes con el uso de técnicas moleculares que no requieren del aislamiento de un microorganismo específico.
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Supóngase que el objeto de estudio es la diversidad de procariotas que viven en las capas superficiales del océano Pacífico de la costa de California. En lugar de cultivar tales organismos, lo cual podría ser inútil, un investigador puede concentrar las células de una muestra de agua de océano, extraer el DNA y analizar algunas de sus secuencias presentes en la preparación. Todos los seres vivientes comparten ciertos genes, por ejemplo, aquellos que codifican los ácidos ribonucleicos (RNA; ribonucleic acids) presentes en los ribosomas o las enzimas de ciertas vías metabólicas. Aunque todos los organismos pueden compartir dichos genes, las secuencias de los nucleótidos que los constituyen varían de manera considerable de una especie a otra. Esto es la base de la evolución biológica. Al utilizar técnicas que revelan las diversas secuencias de DNA de un gen en particular en un hábitat determinado, se conoce de forma directa la diversidad de especies que hay en dicho ambiente. Las técnicas recientes de secuenciación se han vuelto más rápidas y rentables, de forma que casi todos los genes presentes en los microbios de un entorno específico pueden someterse a estudios de secuenciación, creando un genoma colectivo o metagenoma. Este método puede proporcionar información con respecto a los tipos de proteínas que producen dichos microorganismos y, en consecuencia, sobre muchas de las actividades metabólicas en las cuales participan.
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Se han utilizado las mismas estrategias moleculares para explorar la notable diversidad de los “pasajeros invisibles” que viven alrededor de nuestro cuerpo o en él, en lugares como el tubo digestivo, la boca, la vagina y la piel. Esta colección de microbios, que se conoce como microbioma, es tema de varios esfuerzos internacionales de investigación dirigidos a identificar y caracterizar estos microorganismos en personas de diferentes edades, regímenes alimentarios, ubicación geográfica y estados de salud. Por ejemplo, se ha demostrado que los seres humanos obesos y los delgados tienen poblaciones bacterianas muy desiguales en el tubo digestivo. Conforme un individuo con sobrepeso pierde masa, su perfil bacteriano se modifica para hacerse similar al de las personas más delgadas. Un estudio reciente que analizó muestras de heces obtenidas de 124 personas de peso diverso, indicó la presencia dentro de la población colectiva de más de 1 000 especies diferentes de bacterias. En conjunto, tales microbios contuvieron más de 3 millones de genes diferentes, es decir, unas 150 veces el número que aparece en el genoma humano. Entre las funciones de las proteínas codificadas por dichos genomas microbianos están la síntesis de vitaminas, la degradación de azúcares vegetales complejas y la facultad de impedir la proliferación de microorganismos patógenos.
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Los biólogos han encontrado, con técnicas moleculares basadas en la secuenciación, que la mayor parte de los hábitat sobre la Tierra están saturados de vida procariota aún no caracterizada. En el cuadro 1.2 se muestra una estimación de la cantidad de estos seres vivos en los principales ambientes terrestres. Ahora se piensa que más de 90% de estos organismos vive bajo los sedimentos de la profundidad de los océanos y en los estratos superficiales del suelo. ¡Los nutrientes son tan escasos en algunos de los depósitos comentados que, según se piensa, los microbios que en ellos residen se dividen sólo una vez en el transcurso de varios siglos! El cuadro 1.2 también muestra una aproximación de la cantidad de carbono que incorpora el mundo de las células procariotas. Para traducir este número a términos más familiares, éste es comparable a la cantidad total de carbono presente en todo el mundo vegetal.
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Tipos de células eucariotas: especialización celular
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En muchos casos, las células eucariotas más complejas no se encuentran dentro de las plantas o animales, sino que son organismos formados por una sola célula (unicelulares), o protistas, como los que se muestran en la figura 1.16. Toda la maquinaria necesaria para las actividades complejas en las cuales intervienen estos organismos (percepción del ambiente, captación de alimento, eliminación de líquido excesivo y evasión de depredadores) está confinada dentro de una sola célula.
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Los organismos unicelulares complejos representan una vía evolutiva. Un camino alternativo ha llevado a la evolución de organismos multicelulares en los cuales diferentes tipos celulares limitados a usos determinados efectúan distintas actividades. Las células especializadas se forman por un proceso conocido como diferenciación. Por ejemplo, un óvulo humano fecundado experimenta un desarrollo embrionario que lleva a la formación de alrededor de 250 tipos distintos de células diferenciadas. Algunas de ellas formarán parte de una glándula digestiva específica, otras se convertirán en componentes de un gran músculo esquelético, otras más constituirán un hueso, etc. (fig. 1.17). La ruta de diferenciación seguida por cada célula embrionaria depende de manera fundamental de las señales que ésta recibe del ambiente circundante; dichas indicaciones están subordinadas a su vez a la posición de dicha célula dentro del embrión. Como se revisa en la sección “Perspectiva humana”, que aparece en este capítulo, los investigadores han aprendido a controlar el proceso de diferenciación en cajas de cultivo y aplicar este conocimiento al tratamiento de enfermedades humanas complejas.
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Como resultado de la diferenciación, distintos tipos celulares adquieren una apariencia característica y contienen materiales únicos. Las células musculoesqueléticas poseen una estructura de filamentos muy bien alineados, compuestos de proteínas contráctiles únicas; las células de cartílago están rodeadas por una matriz típica que contiene polisacáridos y colágeno, que en conjunto proporcionan apoyo mecánico; los eritrocitos son sacos de membrana en forma de disco, que están llenos de hemoglobina, una molécula que transporta oxígeno, etc. No obstante, a pesar de sus múltiples diferencias, las células de una planta o de un animal están compuestas de organelos semejantes. Por ejemplo, las mitocondrias se localizan en todos los tipos celulares. Sin embargo, en un tipo específico pueden tener forma redonda y en otro un aspecto muy alargado. En cada caso, el número, la apariencia y la localización de los diferentes organelos pueden correlacionarse con la actividad de cada tipo celular. Se puede establecer una analogía con las diferentes secciones de una orquesta: todas ejecutan las mismas notas, pero un arreglo variable le da a cada una su carácter y belleza únicos.
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Organismos modelo Los seres vivos son muy diversos y los resultados obtenidos de un análisis experimental pueden depender del organismo en particular bajo estudio. Como resultado, los expertos en biología celular y molecular enfocan sus actividades de investigación en un pequeño número de organismos modelo o “representativos”. Se espera que un cuerpo de conocimiento extenso basado en tales estudios constituya un marco de referencia que permita comprender los procesos básicos que son compartidos por muchos organismos, en especial por los humanos. Esto no quiere decir que muchos otros seres vivos no se utilicen de forma amplia en el estudio de la biología celular y molecular. No obstante, seis organismos modelo, un procariota y cinco eucariotas, han captado mucho la atención: una bacteria, E. coli; una levadura, Saccharomyces cerevisiae; una planta con flor, Arabidopsis thaliana; un nematodo, Caenorhabditis elegans; una mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, y un ratón, Mus musculus. Cada uno de ellos posee ventajas específicas que los hace útiles como objeto de investigación para responder ciertas interrogantes. Cada uno de estos organismos se presenta en la figura 1.18 y en el pie se describen algunas de sus ventajas como sistemas de investigación. Este texto se enfoca en los resultados obtenidos a partir de los estudios realizados en sistemas mamíferos, sobre todo en ratones y cultivos de células de mamífero, en virtud de que estos hallazgos son más aplicables a los seres humanos. Aun así, en este libro en ocasiones se describen investigaciones efectuadas en células de otras especies. Es sorprendente descubrir cuán semejante es el hombre en los niveles celular y molecular a estos organismos mucho más pequeños y simples.
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Tamaño de las células y sus componentes
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La figura 1.19 muestra las dimensiones relativas de diferentes estructuras de interés en biología celular. De forma habitual se utilizan dos unidades de medición lineal para describir el interior de una célula: el micrómetro (μm; 10–6 metros) y el nanómetro (nm; 10–9 metros). El angstrom (Å), que es igual a una décima parte de un nanómetro, lo utilizan muchas veces los biólogos moleculares para cuantificar dimensiones atómicas. De manera simple, un angstrom equivale al diámetro de un átomo de hidrógeno. Las moléculas biológicas grandes (p. ej., macromoléculas) se describen en angstroms o nanómetros. La mioglobina, una proteína globular típica cuyo tamaño es de 4.5 × 3.5 × 2.5 nm; proteínas muy largas (como el colágeno o la miosina) tienen una dimensión lineal mayor a 100 nm; el DNA tiene una anchura de 2.0 nm. Los complejos macromoleculares, como los ribosomas, los microtúbulos y los microfilamentos, tienen un diámetro que oscila entre 5 y 25 nm. A pesar de sus pequeñas dimensiones, estas estructuras son sobresalientes “nanomáquinas” complejas capaces de realizar diversas actividades mecánicas, químicas y eléctricas.
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Las dimensiones de las células y sus organelos se definen con mayor facilidad en micrómetros. Por ejemplo, el núcleo posee un diámetro aproximado de 5 a 10 μm y las mitocondrias miden 2 μm de largo. Por lo general, las procariotas tienen una longitud de 1 a 5 μm y las eucariotas de 10 a 30 μm. Hay varias razones por las cuales la mayor parte de las células son pequeñas. Considérense las siguientes.
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La mayoría de las células eucariotas posee un único núcleo que contiene sólo dos copias de gran parte de los genes. Debido a que éstos sirven como moldes para la producción de RNA mensajeros portadores de información, una célula sólo puede producir un número limitado de estos últimos en un tiempo específico. Entre más grande sea el volumen citoplásmico de una célula, mayor será el tiempo que se necesite para sintetizar los mensajes que ésta requiere.
A medida que una célula incrementa su tamaño, decrece la relación área de superficie/volumen.3 La capacidad de una célula para intercambiar sustancias con su medio es proporcional a su área de superficie. Si una célula creciera más allá de cierto tamaño, su superficie podría ser insuficiente para captar las sustancias necesarias para sustentar sus actividades metabólicas (p. ej., oxígeno y nutrimentos). Las células especializadas en la absorción de solutos, como las del epitelio intestinal, poseen casi siempre microvellosidades por medio de las cuales se incrementa en gran medida el área superficial disponible para el intercambio (fig. 1.3). El interior de una gran célula vegetal lo ocupa la mayoría de las veces una gran vacuola llena de líquido, en lugar de un citoplasma activo en términos metabólicos (fig. 8.36b).
Una célula depende en gran medida del movimiento aleatorio de las moléculas (difusión). Por ejemplo, el oxígeno debe difundirse desde la superficie de la célula y pasar a través del citoplasma hasta el interior de sus mitocondrias. El tiempo necesario para esta difusión es proporcional al cuadrado de la distancia que se recorre. Por ejemplo, el O2 necesita sólo 100 microsegundos para difundirse a una distancia de un micrómetro, pero un tiempo 106 veces mayor para difundirse una distancia de un milímetro. Cuando una célula es grande y aumenta la distancia de la superficie al interior, el tiempo necesario para el movimiento por difusión de las sustancias hacia dentro y hacia fuera de una célula activa en sentido metabólico puede ser muy grande e inoperante.
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Un objetivo de un área de investigación en biología, a menudo conocida como biología sintética, es crear células vivas en el laboratorio “partiendo desde cero” esencialmente, como se sugiere en la ilustración de la figura 1.20. Una motivación de los investigadores es lograr la hazaña y, en el proceso, demostrar que la vida en el nivel celular surge de manera espontánea cuando se reúnen en forma apropiada los elementos a partir de materiales sintetizados por medios químicos. En este punto cronológico los biólogos no se han acercado a dicha meta, y muchos miembros de la sociedad podrían argumentar que no es ético lograrlo. Un objetivo más modesto de la biología sintética es crear nuevas formas de vida, con el empleo de microorganismos existentes como punto de partida, que tengan un valor extraordinario en la medicina y en la industria o para la limpieza del ambiente.
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Si, como la mayoría de los biólogos argumenta, las propiedades y las actividades de la descendencia de una célula provienen de sus planos genéticos, entonces sería posible crear un nuevo tipo de célula al introducir nueva información genética en el citoplasma de una entidad existente. Esta meta fue alcanzada por J. Craig Venter y colaboradores en 2007, al sustituir el genoma de una bacteria con otro aislado de una especie muy similar, de modo que transformaron de manera eficaz una especie en otra. En 2010, después de superar innumerables obstáculos técnicos, el grupo en cuestión pudo realizar una tarea semejante y para ello utilizó una copia del genoma bacteriano que se había ensamblado (en el interior de una célula de levadura) a partir de fragmentos de DNA sintetizados mediante técnicas químicas en el laboratorio. La copia sintética del genoma donador, que tenía en total cerca de 1.1 millones de pares de bases de DNA, incluyó las modificaciones introducidas por los investigadores. La copia modificada del genoma (de M. mycoides) fue trasplantada al interior de una célula de una especie bacteriana muy similar (M. capricolum), y en ella sustituyó al genoma original del hospedador. Una vez realizado el trasplante del genoma, la célula del receptor adquirió con rapidez las características de la especie de la cual provenía el DNA del donador. De hecho los investigadores en cuestión generaron células que contenían un “esqueleto genético” al cual agregaron combinaciones de genes nuevos obtenidos de otros microorganismos.
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Investigadores de diversas naciones están intentando por medio de bioingeniería genética modificar organismos que posean vías metabólicas capaces de producir productos farmacéuticos, moléculas de combustibles basados en hidrocarburos y otras sustancias útiles, a partir de precursores sencillos y baratos. Cuando menos una compañía ha afirmado que pudo obtener cianobacterias por bioingeniería genética capaces de general diésel a partir de luz solar, agua y CO2. Los investigadores de otra organización han modificado por medios genéticos la bacteria E. coli, que se utiliza con frecuencia en los laboratorios, para que fermente polisacáridos complejos, que aparecen en algas marinas, hasta obtener etanol, un combustible biológico. Para tal tarea se necesitó introducir en dicho organismo una combinación de genes de tres especies bacterianas distintas. Las investigaciones han comenzado a “reescribir” el genoma de las levaduras y ello denota que las células eucariotas ahora forman parte del esfuerzo por diseñar plantas de elaboración biológica, que utilicen técnicas de bioingeniería genética.
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En principio, el trabajo descrito en el apartado de “Perspectiva humana” de este capítulo, en el cual un tipo de célula se orienta a la formación de otro distinto en su totalidad, también constituye una forma de biología sintética. Como consecuencia de estos intentos, los biólogos ya no sólo están restringidos a estudiar las células disponibles en la naturaleza, sino que ahora pueden dirigir su atención a otras que se pueden obtener gracias a la manipulación experimental.
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REVISIÓN
Compárense las diferencias estructurales, funcionales y metabólicas que existen entre una célula procariota y una eucariota.
¿Cuál es la importancia de la diferenciación celular?
¿Por qué las células casi siempre son microscópicas?
Si una mitocondria midiera 2 μm de largo, ¿a cuántos angstroms, nanómetros y milímetros equivaldría dicha magnitud?
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PERSPECTIVA HUMANA Posibilidad de terapia de restitución celular
Muchas enfermedades humanas son consecuencia de la muerte de tipos específicos de células. Por ejemplo, la diabetes tipo 1 es resultado de la destrucción de las células β del páncreas; la enfermedad de Parkinson surge al desaparecer neuronas dopaminérgicas del encéfalo y la insuficiencia cardiaca puede ser provocada por la muerte de cardiomiocitos. Habría que imaginar las posibilidades que surgirían si los científicos aislaran células de un paciente, las transformaran en otras que le fuesen necesarias y las introdujeran de nuevo a la misma persona para recuperar la función perdida. Estudios recientes han dado a los investigadores la esperanza de que algún día este tipo de tratamiento sea una realidad común. Para entender mejor el concepto de la terapia de restitución celular, puede considerarse un procedimiento llevado a cabo en la actualidad conocido como trasplante de médula ósea, en el cual las células se obtienen del interior de los huesos pélvicos de un individuo donador y se implantan en el cuerpo de un receptor.
El trasplante de médula ósea se practica sobre todo para tratar linfomas y leucemias, los cuales son tipos de cáncer que afectan la naturaleza y el número de los leucocitos. Para efectuar este procedimiento, el paciente se expone a un alto nivel de radiación o se trata con sustancias tóxicas, o ambas cosas; estos agentes destruyen a las células cancerosas pero también a las unidades formadoras de colonias relacionadas con la creación de eritrocitos y leucocitos. El tratamiento tiene efecto porque las células que generan la sangre son de manera particular muy sensibles a la radiación y a las sustancias tóxicas. Una vez que las células hematopoyéticas de un individuo se destruyen, se reemplazan con células de la médula ósea trasplantadas que proceden de un donador sano. La médula ósea puede regenerar el tejido sanguíneo del receptor del trasplante porque contiene un pequeño porcentaje de células que pueden proliferar y restituir el tejido hematopoyético en el paciente.1 Estas células hematógenas de la médula ósea se denominan células madre hematopoyéticas (o HSC; hematopoietic stem cells) y fueron descubiertas al principio del decenio de 1960 por Ernest McCulloch y James Till en la Universidad de Toronto. Dichos blastos son los encargados de reemplazar los millones de eritrocitos y leucocitos que envejecen y mueren cada minuto en el cuerpo humano (fig. 17.6). De manera asombrosa, una sola HSC es capaz de reconstruir el sistema hematopoyético (formador de sangre) completo de un ratón radiado. Cada vez más padres piden que se guarde la sangre del cordón umbilical de sus hijos recién nacidos como una forma de “póliza de seguro de células madre” contra la posibilidad de que su hijo llegue a sufrir una enfermedad susceptible de ser tratada con la administración de HSC. Ahora que se describió un tipo de terapia de restitución celular, se pueden considerar muchas otras alternativas que tengan posibilidades terapéuticas más amplias. Estos tratamientos posibles se dividirán en cuatro tipos.
Células madre adultas Las células madre hematopoyéticas ubicadas en la médula ósea constituyen un ejemplo de citoblastos adultos.
Las células madre se definen como células no diferenciadas que: (1) son capaces de renovarse a sí mismas, es decir, que pueden producir más células iguales a ellas, y (2) son multipotenciales, es decir, son capaces de diferenciarse en dos o más tipos de células maduras. Las HSC de la médula ósea son tan sólo un tipo de células progenitoras. La mayoría de los órganos de un ser humano adulto, si no es que todos, contiene células madre capaces de reponer las células específicas del tejido en el que se encuentran. Incluso el cerebro del adulto, que no es reconocido por su capacidad de regeneración, contiene células progenitoras que pueden generar nuevas neuronas y células gliales (las células de sostén del cerebro). En la figura 1a se muestra una célula madre individual hallada en tejido musculoesquelético adulto; se piensa que estas “células satélite”, como se les llama, se dividen y diferencian según sea necesario para la reparación de tejido muscular lesionado. En la figura 1b se presenta un cultivo de células adiposas (grasas) que se han diferenciado in vitro a partir de células madre adultas que se encuentran presentes en el tejido adiposo.
El corazón de un adulto humano contiene células madre que pueden diferenciarse y formar células que integran el tejido muscular de dicha víscera (los cardiomiocitos) y sus vasos sanguíneos. Se tiene la esperanza de que dichas células madre del corazón puedan regenerar el tejido cardiaco en una persona que ha presentado un infarto grave del miocardio. Este anhelo al parecer se materializó con la publicación de dos señalamientos decisivos a finales de 2011, sobre los resultados de estudios de pacientes que habían padecido daño grave de tejido cardiaco posterior a infartos. Se obtuvieron células madre de cada uno de los pacientes durante operaciones del corazón, se logró su proliferación numérica en cultivos in vitro y después se introdujeron al corazón de cada enfermo. En los meses siguientes, la mayor parte de los sujetos tratados mostró una reposición notable (por ejemplo de 50%) del miocardio dañado por tejido sano proveniente de las células madre introducidas. La regeneración hística se acompañó de una mejoría neta de la calidad de vida, en comparación con los sujetos del grupo expuesto a placebo que no recibieron dicho tipo de blastos. Las células madre adultas constituyen un sistema ideal para la restitución celular terapéutica porque representan un tratamiento autólogo, es decir, consiste en obtener células de la misma persona en la cual se utilizarán. En consecuencia, dichos blastos no afrontan la posibilidad de ser rechazados por el sistema inmunitario. Al mismo tiempo, no obstante, las células madre adultas son muy escasas dentro del tejido en cuestión, a menudo son difíciles de aislar y manipular y es posible que restituyan sólo a células del mismo tejido del cual se obtuvieron. Estos impresionantes resultados con células madre cardiacas han reavivado el interés por los blastos adultos, el cual disminuyó después de intentos fallidos de estimular que blastos aislados de la médula ósea regeneraran tejidos afectados.
Células madre embrionarias En los últimos decenios se ha generado gran excitación con respecto a los estudios de células madre embrionarias (ES; embryonic stem), que son un tipo de células progenitoras aisladas de embriones muy jóvenes de mamíferos (fig. 2a). Éstas son células de embriones tempranos que dan origen a las diversas estructuras del feto de mamífero. A diferencia de las células madre adultas, las ES son pluripotenciales, es decir, son capaces de diferenciarse en casi cualquier tipo de célula corporal. En la mayor parte de los casos, las ES se han aislado de embriones proporcionados por clínicas de fecundación in vitro. En el nivel mundial se dispone de docenas de líneas de células ES humanas genéticamente distintas para investigación experimental, cada una derivada de un solo embrión.
El objetivo a largo plazo de los investigadores clínicos es aprender de qué manera las ES se diferencian en cultivo en cada uno de los diversos tipos celulares que podrían utilizarse para terapia de restitución celular. Se ha logrado un avance considerable en este sentido, y varios estudios muestran que los trasplantes de células derivadas de ES diferenciadas pueden mejorar la salud de animales con órganos enfermos o dañados. Los primeros estudios en humanos comenzaron en 2009 en personas que presentaban lesiones debilitantes de médula espinal o que tenían una oftalmopatía llamada distrofia macular de Stargardt. Los ensayos para tratar lesiones de la médula espinal utilizan células, llamadas oligodendrocitos, que generan vainas de mielina que rodean los axones de neuronas (fig. 4.5). Los gliocitos usados en dichos estudios se diferenciaron a partir de células ES humanas en un medio que contenía insulina, hormona tiroidea y una combinación de algunos factores de crecimiento; se observó que dicho protocolo particular de cultivo encauzaba la diferenciación de las células ES en oligodendrocitos y no en ningún otro tipo celular. Cuando se escribió este texto no se habían publicado mejorías importantes en ninguno de los pacientes tratados y la compañía que dirigía el estudio decidió interrumpir su implicación. El riesgo primario con este tipo de procedimiento es la presencia no detectada de células ES no diferenciadas entre la población de las que sí lo están. Las no transformadas son capaces de desarrollar un tipo de tumor benigno, llamado teratoma, capaz de contener una masa peculiar de diversos tejidos diferenciados, incluidos cabellos y dientes. La formación de un teratoma dentro del sistema nervioso central podría tener consecuencias graves. Además, en la actualidad el cultivo de células ES incluye el uso de materiales biológicos no humanos, lo que también impone riesgos potenciales.
Las células ES utilizadas en los primeros estudios se obtuvieron de líneas citológicas aisladas de embriones humanos sin vínculo alguno con los pacientes sometidos a tratamiento. Dichas células afrontan la posibilidad de ser rechazadas por mecanismos inmunológicos de la persona que recibe el trasplante. Sin embargo, es posible “personalizar” las células ES de modo que posean la misma composición genética del individuo por tratar. Esto se pudo lograr usando un método indirecto llamado transferencia nuclear de células somáticas (SCNT; somatic cell nuclear transfer), que se muestra en la figura 2b, el cual comienza con un óvulo no fecundado que se obtiene del ovario de una mujer donadora no emparentada con el paciente. En este método, el núcleo del óvulo no fecundado sería sustituido por el núcleo de una célula del paciente, lo cual daría al gameto la misma composición cromosómica del individuo por tratar. Entonces se permitiría al óvulo desarrollarse hasta una etapa embrionaria temprana, y las células ES se extraerían, cultivarían e inducirían a diferenciarse en el tipo de células necesarias para el paciente. Debido a que este procedimiento implica la formación de un embrión humano que sólo se usa como fuente de células ES, existen importantes cuestiones éticas que deben resolverse antes de que pueda practicarse de manera sistemática. Además, el proceso de SCNT es muy costoso y demandante desde el punto de vista técnico, por lo cual es muy improbable que pudiera ser parte habitual del tratamiento médico. Si en algún momento se practicara dicha terapia, es muy posible que dependiera del uso de bancos celulares que contarán con cientos o miles de células ES diferentes. Tales acervos podrían contener células con compatibilidad hística suficiente para su uso en la mayor parte de los pacientes.
Células madre pluripotenciales inducidas Durante mucho tiempo se pensó que el proceso de diferenciación celular en mamíferos era irreversible; una vez que una célula se transformaba en un fibroblasto, en un leucocito o en una célula cartilaginosa, nunca se modificaría para convertirse en otro tipo celular. Este concepto se tornó obsoleto en el año 2006, cuando Shinya Yamanaka y col., de la Kyoto University anunciaron un descubrimiento sorprendente; su laboratorio tuvo éxito en reprogramar una célula murina (en este caso un fibroblasto de tejido conjuntivo) que se transformó por completo en una célula madre pluripotencial. Lograron la hazaña de introducir en dicha célula los genes que codificaban cuatro proteínas fundamentales características de las células ES (Oct4, Sox2, Klf4 y Myc, conocidos de manera colectiva como OSKM). Éstos parecen desempeñar una función clave para mantener las células en un estado indiferenciado que les permite continuar autorrenovándose. Los genes se introdujeron en fibroblastos cultivados utilizando virus. Aquellas células poco comunes reprogramadas se separaron de las otras en un cultivo distinto por medio de técnicas especializadas. Los investigadores las denominaron células pluripotenciales inducidas (iPS; induced pulripotent cells) y demostraron su capacidad de transformación al inyectarlas en un blastocisto murino y encontrar que participaban en la diferenciación de todas las células corporales, incluyendo a ovocitos y espermatozoides. Más o menos en el año siguiente se logró la misma hazaña de reprogramación en varios laboratorios con células humanas. Esto significa que los investigadores en la actualidad cuentan con ellas como una fuente ilimitada de células pluripotenciales, que pueden diferenciarse en varios tipos de células corporales utilizando protocolos experimentales similares a los ya desarrollados para estudiar células ES.
De hecho, las células iPS se han utilizado para corregir ciertos trastornos patológicos en animales de experimentación, incluyendo anemia drepanocítica en un ratón, como se ilustra en la figura 3. Dichos blastos también se han generado a partir de células adultas obtenidas de pacientes con una multitud de trastornos genéticos. Después de este logro, los investigadores pudieron vigilar la diferenciación de tales células en el cultivo y su transformación en tipos citológicos especializados, afectados por la enfermedad particular. En la portada de este texto se ilustra un ejemplo de dicho experimento. Se espera que tales estudios revelen los mecanismos patogénicos conforme la enfermedad se desarrolla en medios de cultivo, justo como ocurriría normalmente en el interior del cuerpo donde la observación es imposible. A estas células iPS “enfermas” se les conoce como “pacientes en una caja de Petri”. La importancia clínica de dichas células se ilustra con un ejemplo. Las células iPS obtenidas de personas con una cardiopatía llamada síndrome de QT largo se diferencian en cardiomiocitos que presentan contracciones irregulares in vitro; el fenotipo histoespecífico comentado que se identifica en el cultivo se puede corregir con algunos fármacos que se administran de manera habitual para tratar el trastorno. Aún más, cuando se expuso a dichos cardiomiocitos al fármaco cisaprida, se intensificó la irregularidad de sus contracciones. Este medicamento se utilizaba para tratar la pirosis antes que fuera retirado de la distribución comercial en Estados Unidos, porque se supo que ocasionaba arritmias cardiacas en algunos pacientes. Resultados de este tipo sugieren que las células diferenciadas obtenidas de células iPS enfermas pueden constituir “efectores” útiles para probar la eficacia de algunos fármacos y frenar así la evolución de una enfermedad.
A diferencia de las células ES, para obtener células iPS no se necesita utilizar un embrión; tal situación echó por tierra todas las reservas éticas que se impusieron a las investigaciones hechas con las primeras y con ello facilitó en gran medida la generación de las últimas en el laboratorio. Sin embargo, conforme se han ampliado las investigaciones con las células iPS, no se ha confirmado con certeza la capacidad terapéutica de las mismas. En los primeros años de estudio se pensó que las células iPS y las ES eran prácticamente idénticas. Sin embargo, investigaciones recientes han indicado que las primeras no poseen la “gran calidad” característica de las segundas y que no todas son iguales. Por ejemplo, las células iPS presentan algunas anormalidades genómicas que no tienen las células ES, incluida la presencia de mutaciones y copias adicionales de segmentos aleatorios del genoma. Además, su cromatina retiene algunos restos de células originales de las que se obtuvieron, lo cual denota que no se pudieron reprogramar por completo para que se transformaran en células pluripotentes similares a las ES; esta memoria residual de su origen facilita dirigir a las células iPS a la diferenciación “en sentido retrógrado” hacia su forma original y encauzarlas a otros tipos celulares. Puede ser que estas deficiencias manifiestas en dichas células no constituyan un estorbo grave en el empleo de las mismas para tratar enfermedades que afectan tejidos de adultos, pero ello ha planteado dudas importantes. También hay otros tejidos que tienen células iPS. Es crucial elaborar técnicas de reprogramación eficientes de células que no utilicen virus de integración genómica, puesto que tienen la posibilidad de transformarse en cánceres. Se han logrado adelantos en este terreno, pero por lo general la eficiencia de formación de células iPS disminuye cuando se utilizan otros métodos para introducir en ellas genes.
A semejanza de las ES, las células iPS no diferenciadas pueden originar teratomas (razón por la cual es esencial que se trasplanten a humanos sólo células transformadas en su totalidad) y en general poseen los mismos antígenos hísticos que los donadores de los cuales se obtuvieron, de modo que estimularían un ataque inmunitario en caso de que se trasplantaran a otros receptores humanos. A diferencia de las células ES, sin embargo, sería mucho más fácil generar células iPS personalizadas, compatibles desde el punto de vista hístico, porque pueden obtenerse de una simple biopsia cutánea. Aún así, tomará tiempo, será costoso y se requerirá experiencia técnica considerable para generar población de células iPS a partir de un donador específico. En consecuencia, si éstas se desarrollan en algún momento para uso terapéutico, es probable que provengan de bancos celulares grandes capaces de proporcionar células con compatibilidad hística estrecha para la mayor parte de los receptores potenciales. Podría ser posible eliminar todos los genes de las células iPS que por lo general evitan que sean trasplantadas a receptores al azar.
Reprogramación celular directa En el año 2008 el campo de la reprogramación celular sufrió un giro inesperado con el anuncio de que un tipo de célula diferenciada se había convertido de forma directa en una de otra clase, un caso de “transdiferenciación”. En este informe las células acinares del páncreas, que producen las enzimas que participan en la digestión de los alimentos en el intestino, se transformaron en células pancreáticas β generadoras de insulina. El proceso de reprogramación ocurrió de forma directa en unos cuantos días, sin pasar por un estado celular intermedio, y sucedió mientras las células permanecían en su sitio habitual en el páncreas de un hígado murino. Esta hazaña se logró mediante la inyección de virus que portaban tres conocidos genes importantes para la diferenciación de células β en el embrión. En este caso, los receptores de la inyección eran ratones diabéticos, y la transdiferenciación de un número significativo de células acinares a células β permitió que los animales regularan su glucemia con dosis mucho menores de insulina. Cabe hacer notar que los adenovirus utilizados como vectores en este experimento no se integraron de forma permanente de la célula receptora, lo cual elimina ciertas preocupaciones con respecto al uso de virus como portadores de genes en seres humanos. Desde este informe inicial, diversos laboratorios han creado técnicas in vitro para transformar de manera directa un tipo de célula diferenciada (por lo general un fibroblasto) en otro, como neuronas, cardiomiocitos o hematocitoblastos, en cultivo, sin pasar por la fase intermediaria pluripotente. En todas las situaciones mencionadas ocurre transdiferenciación cuando se “fuerza” a las células originales a expresar algunos genes que intervienen en la diferenciación embrionaria normal del otro tipo celular. Es demasiado pronto para especular sobre si este tipo de reprogramación directa tiene potencial terapéutico real, pero hace surgir la posibilidad de que las células enfermas que deban ser sustituidas puedan producirse en forma directa a partir de otros tipos celulares en el mismo órgano.
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