Alianzas invisibles: los reinos chocan mientras las bacterias y las células forman conexiones cautivadoras

En los libros de texto de biología, el retículo endoplásmico a menudo se describe como un orgánulo compacto y diferenciado cerca del núcleo, y se sabe comúnmente que es responsable del tráfico y la secreción de proteínas. En realidad, el RE es vasto y dinámico, se extiende por toda la célula y es capaz de establecer contacto y comunicación con y entre otros orgánulos. Estos contactos de membrana regulan procesos tan diversos como el metabolismo de las grasas, el metabolismo del azúcar y las respuestas inmunitarias.

Explorar cómo los patógenos manipulan y secuestran procesos esenciales para promover sus propios ciclos de vida puede revelar mucho sobre las funciones celulares fundamentales y proporcionar información sobre opciones de tratamiento viables para patógenos poco estudiados.

Nueva investigación del Lamason Lab en el Departamento de Biología del MIT recientemente publicado en el Revista de biología celular ha demostrado que Rickettsia parkeri, una bacteria patógena que vive libremente en el citosol, puede interactuar de forma extensa y estable con el retículo endoplasmático rugoso, formando contactos nunca antes vistos con el orgánulo.

Es el primer ejemplo conocido de un sitio de contacto directo entre un patógeno bacteriano intracelular y una membrana eucariota.

El Lamason Lab estudia R. parkeri como modelo para la infección de Rickettsia rickettsii, más virulenta. R. rickettsii, transportada y transmitida por garrapatas, causa la fiebre maculosa de las Montañas Rocosas. Si no se trata, la infección puede causar síntomas tan graves como insuficiencia orgánica y la muerte.

La rickettsia es difícil de estudiar porque es un patógeno obligado, lo que significa que sólo puede vivir y reproducirse dentro de células vivas, de forma muy parecida a un virus. Los investigadores deben ser creativos para analizar las cuestiones fundamentales y los actores moleculares en el ciclo de vida de R. parkeri, y aún queda mucho por aclarar sobre cómo se propaga R. parkeri.

Desvío al cruce

La primera autora, Yamilex Acevedo-Sánchez, alumna del programa BSG-MSRP-Bio y estudiante de posgrado en ese momento, se topó con las interacciones ER y R. parkeri mientras intentaba observar que Rickettsia alcanzaba una unión celular.

El modelo actual para la infección por Rickettsia implica que R. parkeri se propague de célula a célula viajando a los sitios de contacto especializados entre las células y siendo engullida por la célula vecina para poder propagarse. Listeria monocytogenes, que también estudia el laboratorio Lamason, utiliza colas de actina para impulsarse con fuerza hacia una célula vecina. Por el contrario, R. parkeri puede formar una cola de actina, pero la pierde antes de llegar a la unión celular. De alguna manera, R. parkeri todavía puede propagarse a las células vecinas.

Después de un seminario del MIT sobre las funciones menos conocidas de la sala de emergencias, Acevedo-Sánchez desarrolló una línea celular para observar si Rickettsia podría estar propagándose a las células vecinas al viajar en la sala de emergencias para llegar a la unión celular.

En cambio, vio un porcentaje inesperadamente alto de R. parkeri rodeado y envuelto por el ER, a una distancia de unos 55 nanómetros. Esta distancia es significativa porque los contactos de membrana para la comunicación entre organelos en las células eucariotas forman conexiones de 10 a 80 nanómetros de ancho. Los investigadores descartaron que lo que vieron no fuera una respuesta inmune, y las secciones de la sala de emergencias que interactuaban con R. parkeri todavía estaban conectadas a la red más amplia de la sala de emergencias.

«Soy de la opinión de que si quieres aprender nueva biología, basta con mirar las células», dice Acevedo-Sánchez. «Manipular el orgánulo que establece contacto con otros orgánulos podría ser una excelente manera para que un patógeno obtenga control durante la infección».

Las conexiones estables fueron inesperadas porque la sala de emergencias está constantemente rompiendo y reformando conexiones, lo que dura segundos o minutos. Fue sorprendente ver que la sala de emergencias se asociaba de manera estable alrededor de las bacterias. Como patógeno citosólico que existe libremente en el citosol de las células que infecta, también fue inesperado ver a R. parkeri rodeado por una membrana.

Pequeños márgenes

Acevedo-Sánchez colaboró ​​con el Centro de Sistemas a Nanoescala de la Universidad de Harvard para ver sus observaciones iniciales con mayor resolución utilizando microscopía electrónica de barrido con haz de iones enfocado. FIB-SEM implica tomar una muestra de células y bombardearlas con un haz de iones enfocado para eliminar una sección del bloque de células. Con cada capa se toma una imagen de alta resolución. El resultado de este proceso es una pila de imágenes.

A partir de ahí, Acevedo-Sánchez marcó cuáles eran las diferentes áreas de las imágenes (como las mitocondrias, Rickettsia o la sala de emergencias) y un programa llamado ORS Dragonfly, un programa de aprendizaje automático, clasificó las aproximadamente mil imágenes para identificar esas categorías. Luego, esa información se utilizó para crear modelos 3D de las muestras.

Acevedo-Sánchez señaló que menos del 5 por ciento de R. parkeri formó conexiones con la sala de emergencias, pero se sabe que pequeñas cantidades de ciertas características son críticas para la infección por R. parkeri. R. parkeri puede existir en dos estados: móvil, con cola de actina, e inmóvil, sin ella. En los mutantes incapaces de formar colas de actina, R. parkeri no puede progresar a las células adyacentes, pero en los no mutantes, el porcentaje de R. parkeri que tienen colas comienza en aproximadamente el 2 por ciento en las primeras etapas de la infección y nunca excede el 15 por ciento en el apogeo de la misma. .

El RE solo interactúa con R. parkeri inmóvil, y esas interacciones aumentaron 25 veces en mutantes que no podían formar colas.

Creando conexiones

Los coautores Acevedo-Sánchez, Patrick Woida y Caroline Anderson también investigaron posibles formas en que se median las conexiones con la sala de emergencias. Se sabe que las proteínas VAP, que median las interacciones del ER con otros orgánulos, son cooptadas por otros patógenos durante la infección.

Durante la infección por R. parkeri, las bacterias reclutaron proteínas VAP; cuando se eliminaron las proteínas VAP, la frecuencia de interacciones entre R. parkeri y el ER disminuyó, lo que indica que R. parkeri puede estar aprovechando estos mecanismos celulares para sus propios fines durante la infección.

Aunque Acevedo-Sánchez ahora trabaja como científico senior en AbbVie, el Lamason Lab continúa el trabajo de explorar los actores moleculares que pueden estar involucrados, cómo se median estas interacciones y si los contactos afectan al huésped o al ciclo de vida de las bacterias.

La autora principal y profesora asociada de biología Rebecca Lamason señaló que estas posibles interacciones son particularmente interesantes porque se cree que las bacterias y las mitocondrias evolucionaron a partir de un ancestro común. El Lamason Lab ha estado explorando si R. parkeri podría formar los mismos contactos de membrana que las mitocondrias, aunque aún no lo han demostrado. Hasta ahora, R. parkeri es el único patógeno citosólico que se ha observado que se comporta de esta manera.

«No se trata solo de que las bacterias choquen accidentalmente con la sala de emergencias. Estas interacciones son extremadamente estables. La sala de emergencias claramente envuelve ampliamente a la bacteria y todavía está conectada a la red de salas de emergencias», dice Lamason. «Parece que tiene un propósito; cuál es ese propósito sigue siendo un misterio».