Los tardígrados protegen las proteínas al borde de la muerte

Stephanie se unió a Drug Discovery News como editora asistente en 2021. Obtuvo su doctorado en la Universidad de California en Los Ángeles en 2019 y ha escrito para Discover Magazine,...

Con sus piernas regordetas y narices de botón, los tardígrados ciertamente no parecen tener los secretos de la vida y la muerte en sus garras delgadas, pero lo hacen. Estos animales carismáticos, a menudo llamados osos de agua o lechones de musgo, han desarrollado adaptaciones únicas para prosperar en entornos donde pocos pueden sobrevivir.

Si bien suelen vivir en lugares acuosos, desde las capas de nieve del Himalaya hasta el musgo que crece en un estacionamiento, los tardígrados pueden sobrevivir a la deshidratación, la congelación, las temperaturas por encima del punto de ebullición del agua e incluso el vacío y la radiación del espacio (1,2). Para hacer esto, los tardígrados eliminan agua de sus cuerpos y reducen su metabolismo a solo el 0,01 por ciento de su tasa normal. Al hacerlo, pasan a su forma "tun", un estado de animación suspendida en el que pueden vivir durante décadas. La exposición a solo un poco de agua restaura a los tardígrados de tuns a su estado normal y turgente.

"Siempre escuchamos el dicho, 'La vida es agua', y sabemos que todo metabolismo requiere agua", dijo Thomas Boothby, tardigradólogo de la Universidad de Wyoming. "¿Cómo puedes tener vida sin metabolismo? Es casi una pregunta filosófica".

Al seguir la línea entre la vida y la muerte, los tardígrados ofrecen a los científicos la oportunidad de comprender lo que significa estar vivo y, tal vez, cómo mantener vivos a los seres vivos. Con el advenimiento de nuevas herramientas genéticas y una creciente comunidad de investigadores de tardígrados, los científicos están investigando cómo los tardígrados sobreviven a condiciones estresantes con la esperanza de traducir esas lecciones en formulaciones de medicamentos más estables. Con su capacidad para proteger contra niveles de radiación peligrosos, la biología de los tardígrados puede incluso ayudar a los humanos durante las misiones espaciales a largo plazo a la Luna y Marte.

A medida que el sol se eleva en el cielo, el agua que rodea a los tardígrados que viven en un charco de espuma de estanque comienza a evaporarse lentamente. A medida que el ambiente se seca, las células de los tardígrados comienzan a perder agua y la concentración de las moléculas en su interior crece más y más.

"La desecación no es un estrés de todo o nada", explicó Boothby. "Es un continuo de tensiones".

A medida que las estructuras celulares se juntan, es más probable que las proteínas se agreguen entre sí. Cuando la célula ya no tiene suficiente agua para formar enlaces de hidrógeno con las proteínas, las proteínas se desdoblarán y perderán su función. De alguna manera, los tardígrados encontraron una manera de prevenir la pérdida de la función de la proteína debido a la desecación, y los científicos no tenían idea de cómo lo hicieron hasta hace solo unos años.

"Hace cinco o seis años, un posdoctorado de biología aquí en la UNC entró en mi oficina y dijo que había encontrado los genes que permitían a los tardígrados sobrevivir a la desecación", dijo Gary Pielak, químico de proteínas de la Universidad de Carolina del Norte (UNC) en Colina de la Capilla. "Ese tipo era Thomas Boothby".

Trabajando juntos, Boothby, Pielak y sus colegas informaron que a medida que las condiciones se secan, los tardígrados expresan proteínas únicas llamadas proteínas tardígradas intrínsecamente desordenadas (TDP) (3). Si bien los tardígrados no necesitan TDP para vivir sus vidas acuáticas normales, a medida que su hogar acuático se seca, no pueden vivir sin ellos. Cuando los investigadores expresaron TDP en bacterias y levaduras, las proteínas aumentaron la tolerancia a la desecación de esos organismos en casi 100 veces.

Desde este descubrimiento, los investigadores de tardígrados han identificado varios TDP diferentes involucrados en la protección de los tardígrados durante la desecación (4). Pero cómo exactamente los TDP y otros aspectos de la biología tardígrada protegen al animal sigue siendo una pregunta abierta.

En su mayor parte, estos estudios se basaron en la expresión de proteínas tardígradas en sistemas modelo como levaduras y bacterias porque muchas técnicas sofisticadas de manipulación genética no eran posibles en tardígrados, hasta ahora.

Kazuharu Arakawa, tardigradólogo de la Universidad de Keio, y su equipo desarrollaron recientemente un sistema llamado TardiVec que permite a los científicos estudiar los genes tardígrados dentro de los propios animales (5). Lo primero que hicieron fue expresar la proteína verde fluorescente (GFP) bajo el control del promotor de la proteína actina, un gen con un alto patrón de expresión.

"Estábamos muy emocionados", dijo Arakawa. "Ver brillar a tu organismo favorito es algo realmente extraordinario".

Ansioso por comprender mejor cómo los tardígrados se protegen a sí mismos durante la desecación, Arakawa y su equipo etiquetaron proteínas que se sabe que están involucradas en la protección contra la desecación con GFP. Para su sorpresa, estos TDP se expresaron solo en ciertos tipos de células, no en todas las células.

Por ejemplo, los investigadores vieron que los tardígrados solo expresaban la proteína soluble en calor (CAHS) abundante en el citoplasma TDP en las células epidérmicas. Otra proteína protectora contra la desecación, la proteína soluble en calor abundante secretora (SAHS) se expresó casi exclusivamente en las células de almacenamiento, que son células flotantes libres en el tardígrado que se cree que almacenan energía.

"En los humanos, si las células se dañan, nuestras células entran en apoptosis", dijo Arakawa. "No funciona así en los tardígrados, por lo que cada célula de los tardígrados debe protegerse de la deshidratación". Es desconcertante por qué los tardígrados expresan algunas proteínas protectoras contra la desecación solo en ciertas células.

"Complica la situación. Lo que pensábamos que sabíamos era solo una parte de la historia", dijo Arakawa.

En el futuro, Arakawa planea usar el sistema TardiVec para identificar los mecanismos que impulsan la tolerancia a la desecación mediante el estudio de especies de tardígrados con diferentes capacidades de tolerancia a la desecación. Por ejemplo, Ramazzottius verieornatus puede pasar a un estado de tun en 15 a 30 minutos, Hypsibius exemplaris primero debe pasar unas 24 horas en un ambiente semiseco y la especie Thulinius ruffoi no puede secarse en absoluto.

"Al introducir los genes específicos de tardígrados que encontramos en Ramazzottius en Thulinius o en el estado natural de Hypsibius sin preacondicionamiento, podríamos diseñar esos tardígrados para que sean tolerantes a la desecación", explicó Arakawa.

Al comprender cómo los tardígrados sobreviven al duro estrés de la deshidratación, Arakawa y su equipo esperan aplicar estas lecciones para preservar los materiales biológicos para la salud humana, ya sea estabilizando vacunas y productos biológicos para preservar las donaciones de sangre durante períodos más prolongados.

Si bien varios equipos de investigación han utilizado TDP para proteger las proteínas modelo de la degradación debido a la deshidratación, Boothby quería saber si esa protección podría extenderse a los productos biológicos que salvan vidas.

En una preimpresión reciente, él y su equipo probaron si las proteínas CAHS tardígradas podrían estabilizar el factor VIII (FVIII) de coagulación de la sangre humana en un estado seco bajo una variedad de tensiones de temperatura (6). El FVIII es un componente importante en la vía de la coagulación de la sangre, y los médicos lo utilizan para detener el sangrado en pacientes con traumatismos y en personas con hemofilia, un trastorno genético de la coagulación de la sangre. Actualmente, los fabricantes agregan polietilenglicol al FVIII para que sea estable a temperatura ambiente, pero este nivel de estabilización aún no es lo suficientemente bueno para las personas que viven en ciertos lugares cálidos.

"La temperatura ambiente, lo que realmente significa, es de unos 30 °C, pero, por supuesto, hay muchos lugares en el mundo donde la temperatura ambiente está muy por encima de los 30 °C", dijo Boothby. Los médicos en Texas informaron que "las personas tienen problemas para almacenar estos productos farmacéuticos en sus hogares porque su casa se calienta a más de 30°C durante el verano", agregó.

El equipo desarrolló variantes de la proteína CAHS D con diferentes propiedades biofísicas y descubrió que ciertas variantes protegían mejor al FVIII en condiciones específicas. Por ejemplo, una variante llamada CAHS D 2X Linker forma un gel más fácilmente que la proteína CAHS D estándar. Cuando Boothby y su equipo mezclaron FVIII con 2X Linker, pudieron deshidratar y rehidratar FVIII durante seis ciclos consecutivos sin dañar su función de coagulación de la sangre. Esta variante también mantuvo el FVIII estable durante 10 semanas en estado seco.

"Esto es realmente importante porque en el campo, a menudo no se tiene una humedad controlada con precisión, por lo que puede obtener una rehidratación parcial o una desecación más severa", explicó Boothby. "Ser capaz de tolerar estas fluctuaciones en la hidratación es importante".

Cuando mezclaron FVIII con una variante diferente llamada CAHS D Linker Region que no puede formar gel en absoluto, descubrieron que esta variante estabilizaba el FVIII en un estado seco a temperaturas de hasta 95 °C durante dos días, que es casi el doble de la más alta. temperatura jamás registrada en la Tierra: 56,7 °C en el Valle de la Muerte en 1913.

"Estamos realmente interesados ​​en esta cuestión del estado biofísico de estas proteínas", dijo Boothby. "Una variante no gelificante, ¿cómo protege una proteína frente a la variante gelificante? Eso realmente nos ayuda con la ingeniería futura [y] los objetivos aplicados en los que queremos modificar la proteína para estabilizar un determinado tipo de producto farmacéutico o biológico".

Por ejemplo, si quieren estabilizar una vacuna particular a base de proteínas que es propensa a la agregación en un estado seco, "entonces tenemos una idea bastante clara de cuáles serían nuestros principales candidatos de nuestras variantes", agregó. "Queremos profundizar en los mecanismos por los que funcionan estas proteínas, para que podamos hacer que funcionen para nosotros y hacer las cosas que queremos que hagan en las formulaciones".

Para Roger Chang, biólogo computacional del Colegio de Medicina Albert Einstein, las proteínas tardígradas no tienen que detenerse en la preservación de los productos biológicos. Es posible que algún día también inspiren nuevos medicamentos para enfermedades humanas. Chang siempre ha estado interesado en los organismos que viven en los extremos de la capacidad de supervivencia. Inició su carrera investigadora trabajando en la especie bacteriana Deinococcus radiodurans, el organismo más resistente a la radiación jamás conocido.

"Es una bacteria, no un sistema animal complejo, que es una de las razones por las que el estudio de los tardígrados se volvió interesante porque evolutivamente está mucho más cerca de los humanos", dijo Chang. Él y su equipo se preguntaron si las proteínas desordenadas de los tardígrados y otros organismos extremadamente tolerantes podrían proteger a las células humanas del estrés, en particular, el estrés químico de un fármaco de quimioterapia (7).

Chang y su equipo seleccionaron aproximadamente 300 proteínas o fragmentos de proteínas con regiones desordenadas expresándolas en células humanas. Incluyeron proteínas de organismos extremófilos, incluidos tardígrados, nematodos y la salamandra gigante china, pero también consideraron formas de proteínas humanas tanto completas como truncadas.

"Si queremos desarrollar una terapia, podría darse el caso de que si pudieras extraer algo como esto del proteoma humano, tendrías menos preocupaciones sobre los efectos inmunogénicos, quizás porque es más humano y no tan extraño", dijo Chang. .

Luego, los investigadores trataron las células con el fármaco de quimioterapia común camptotecina, que mata las células al desencadenar la apoptosis. Descubrieron que, aunque la mayoría de las proteínas no tenían una relación evolutiva entre sí, todas protegían contra el estrés químico en un grado similar.

Lo que más sorprendió al equipo fue que sus principales proteínas protectoras no eran tardígradas, sino fragmentos de las proteínas humanas APOE4 y APOE2. (APOE4 es mejor conocido por su papel en la enfermedad de Alzheimer). Se dieron cuenta de que estos fragmentos de proteína APOE contenían una serie de repeticiones alfa-helicoidales, que también tienen las proteínas desordenadas de organismos extremófilos.

"Si extrae solo esa región repetida, esa es la parte que se parece a las proteínas intrínsecamente desordenadas de las especies extremotolerantes. Esa es la variante de APOE que es la más protectora", dijo Chang.

Los investigadores notaron que los fragmentos protectores de APOE formaban pequeños grupos en el citoplasma, por lo que se preguntaron si ellos y, potencialmente, sus otros impactos de proteínas desordenadas podrían proteger a las células de la apoptosis al secuestrar proteínas involucradas en la apoptosis dentro de condensados, estructuras sin membrana que diferencian componentes celulares específicos de el resto de la celda. Si bien vieron que muchos de sus golpes más protectores formaron condensados, en su mayor parte, no formaron condensados ​​alrededor de los componentes clave de la vía de la apoptosis. Solo una proteína desordenada sintética lo hizo.

Definitivamente hay muchas adaptaciones evolucionadas fascinantes e impresionantes en la naturaleza de las que podemos aprender, y creo que en realidad solo estamos arañando la superficie. – Roger Chang, Facultad de Medicina Albert Einstein

"Es probable que estos condensados ​​que se están formando interactúen de manera amplia o específica con otros componentes celulares y los estabilicen o simplemente los separe del resto del citoplasma y no les permita funcionar normalmente", dijo Chang.

Él y su equipo están desconcertados actualmente sobre la posible conexión entre los fragmentos de proteína APOE protectora y la enfermedad de Alzheimer. Sobre todo, Chang quiere desarrollar una plataforma para crear proteínas desordenadas sintéticas que puedan unirse y estabilizar cualquier proteína humana. Por ejemplo, podrían crear proteínas desordenadas que se unen a proteínas como las sensibles al estrés oxidativo para prevenir el desarrollo de enfermedades.

"Es fascinante que la naturaleza haya encontrado soluciones para sobrevivir en condiciones realmente extremas", dijo Chang. "Definitivamente hay muchas adaptaciones evolucionadas fascinantes e impresionantes en la naturaleza de las que podemos aprender, y creo que realmente solo estamos rascando la superficie".

Uno de los entornos más hostiles para la vida es el espacio, pero incluso allí persiste el pequeño y resistente tardígrado. Los científicos han lanzado tardígrados a la órbita terrestre baja, exponiéndolos tanto al vacío como a la intensa radiación del espacio, y descubrieron que sobrevivieron al viaje (8). Cuando un módulo de aterrizaje lunar israelí que transportaba tardígrados entre otras cargas se estrelló contra la Luna en 2019, algunos tardígrados terminaron llamando hogar al espacio, aunque investigaciones recientes sugieren que probablemente no sobrevivieron al impacto (9).

Si bien los tardígrados pueden ser viajeros espaciales prolíficos, no evolucionaron naturalmente para convertirse en pequeños animales astronautas.

"Obviamente, los tardígrados no viven en un ambiente donde haya mucha radiación", dijo Arakawa. "En primer lugar, no están hechos para tolerar la radiación, pero están hechos para tolerar la desecación, que es un estrés tan fuerte como una alta dosis de radiación".

La radiación causa dos tensiones principales en las células: estrés oxidativo y daño en el ADN. Los tardígrados también tienen que lidiar con ambos estreses durante la desecación, por lo que los investigadores creen que los tardígrados probablemente usan mecanismos similares para protegerse tanto de la deshidratación como de la radiación.

Los investigadores identificaron una proteína en particular llamada proteína supresora de daños (Dsup) que es exclusiva de los tardígrados. Cuando se expresó en células humanas, se unió a los nucleosomas, secciones de ADN envueltas alrededor de la cromatina, y suprimió el daño del ADN inducido por rayos X en un 40 por ciento (10,11). En una preimpresión reciente, Chang y sus colegas de Weill Cornell Medicine y la Universidad de Harvard investigaron cómo Dsup protegía el ADN en células humanas del daño por radiación (12). Los investigadores descubrieron que Dsup actúa a nivel epigenético para generar un entorno de cromatina menos represivo.

"Aunque proviene de tardígrados, parece tener una respuesta particular en términos de actividad transcripcional en células humanas que es bastante interesante", dijo Chang.

También confirmaron algunos informes anteriores de que las células humanas diseñadas para expresar Dsup tienen propiedades adhesivas, proliferativas y antiapoptóticas aumentadas. Los investigadores encontraron que las vías de señalización Hippo y Wnt, que aumentan la proliferación celular y los efectos antiapoptóticos y también promueven la resistencia a la radiación en las células cancerosas cuando están desreguladas, estaban enriquecidas en células que expresan Dsup (13).

"En esta etapa, probablemente estemos a varios pasos de una terapia real que surja de esto, pero es un punto de partida", dijo Chang. La investigación adicional sobre Dsup y otros TDP en células humanas puede ayudar a los investigadores a comprender mejor cómo las células cancerosas se vuelven resistentes a la radiación y, quizás, algún día, cómo fabricar un medicamento para aumentar la tolerancia a la radiación de los astronautas.

Las misiones espaciales a largo plazo a la Luna y Marte expondrán a los astronautas a niveles de radiación más altos que los que experimentan actualmente en la Estación Espacial Internacional (ISS). Además de la radiación, los astronautas también viven en un entorno de microgravedad durante meses. Para comprender mejor los efectos a largo plazo de la vida en el espacio, Boothby se asoció con científicos del Centro de Investigación Ames de la NASA para enviar tardígrados a la ISS en una nave espacial de carga SpaceX Dragon.

"Si tomamos un tardígrado que nació aquí en la Tierra y lo enviamos al espacio, ¿cómo responde a ese estrés?" preguntó Boothby. Él y su equipo querían aprender no solo cómo la microgravedad y la radiación afectaban a los tardígrados que volaban de la Tierra al espacio, sino también cómo esas tensiones afectaban a los tardígrados nacidos en el espacio.

Pasando dos meses en la ISS, los tardígrados pasaron por cuatro generaciones en el espacio y los astronautas conservaron muestras de tardígrados en puntos de tiempo específicos. Boothby y su equipo recibieron recientemente las muestras de tardígrados del espacio, las secuenciaron y ahora están investigando los datos de secuenciación.

"Al comprender cómo los tardígrados se enfrentan y se adaptan al estrés de los vuelos espaciales, esperamos que no solo podamos desarrollar mejores contramedidas o terapias para proteger a los humanos en el espacio, sino también para proteger a las personas que trabajan con material radiactivo o que están expuestas a esas situaciones aquí". en la Tierra", dijo Boothby.

Ya sea que estén alcanzando las estrellas con sus garras microscópicas o flotando en una gota de agua, los tardígrados son uno de los pocos organismos que están al borde de la muerte y pueden regresar ilesos. Para Arakawa, esto es lo que más le fascina de los tardígrados, y es una idea que él cree que se ejemplifica mejor con una especie de tardígrado que vive en el musgo que crece en el concreto en Sapporo, Japón.

"Se deshidratan cada vez que hay un día soleado y luego se rehidratan cada vez que hay un día lluvioso. Constantemente entran en esta etapa seca, casi todos los días", explicó Arakawa. "La detención de la vida es un evento muy común, que es bastante inusual en comparación con otras especies". Pero, agregó, "la transición entre materia/no materia es el tema crítico a estudiar si queremos entender realmente qué es la vida".

Stephanie se unió a Drug Discovery News como editora asistente en 2021. Obtuvo su doctorado en la Universidad de California en Los Ángeles en 2019 y ha escrito para Discover Magazine,...

Número de mayo de 2023