Theoretical analysis of forces generated by mitotic spindle

Cada célula viva que se divide debe realizar una proeza de ingeniería precisa: debe dividir su material genético en dos juegos idénticos y llevarlos a extremos opuestos de la célula. Este proceso, conocido como mitosis, depende de una estructura temporal llamada huso, una máquina microscópica hecha de fibras proteicas que actúa tanto como andamio como motor. Dentro de esta máquina, diminutos motores moleculares caminan a lo largo de estas fibras, generando la tensión necesaria para alinear los cromosomas en el centro de la célula y la fuerza poderosa requerida para separarlos violentamente más tarde. Los científicos han sido capaces de medir durante mucho tiempo cuánta fuerza ejercen estas fibras para mantener los cromosomas en su lugar durante la fase de alineación, pero ha surgido una discrepancia desconcertante cuando observan la siguiente etapa. Cuando los investigadores intentaron detener un cromosoma para que no se moviera durante la fase de separación, descubrieron que se requería una fuerza cientos de veces más fuerte de la que se necesitaba solo para mantenerlo quieto anteriormente. Esta enorme diferencia ha dejado a los biólogos preguntándose por qué la máquina parece generar una cantidad tan inmensa de potencia solo para ser detenida, y de dónde proviene esa potencia.

Un nuevo estudio teórico de Ping Xie, de la Academia China de Ciencias, ofrece una explicación clara para este misterio mediante la modelización de cómo el huso genera fuerza. La investigación sugiere que el huso no cambia su motor fundamental entre las etapas de alineación y separación; más bien, la diferencia en la fuerza necesaria para detener un cromosoma en movimiento es un resultado directo de qué tan rápido intenta moverse ese cromosoma. En la etapa anterior, cuando los cromosomas se están alineando, las fibras están bajo tensión, pero el movimiento es relativamente lento. En la etapa posterior, cuando los cromosomas están siendo separados, las fibras se están despolimerizando en sus extremos, impulsando a los cromosomas hacia los polos a una velocidad mucho mayor. El estudio propone que la fuerza necesaria para detener un cromosoma no se trata solo de la resistencia de las fibras, sino de la velocidad a la que estas intentan alejar al cromosoma. Para detener un objeto que se mueve rápido, se necesita significativamente más fuerza que para detener uno que se mueve lento, incluso si el motor que los impulsa es el mismo.

El artículo se centra en datos de espermatocitos de saltamontes, un modelo clásico para estudiar la división celular. En estas células, los investigadores midieron previamente que se requieren unos 7 piconewtons de fuerza para mantener una sola fibra en su lugar durante la fase de alineación. Sin embargo, cuando intentaron detener un cromosoma completo para que no se moviera durante la fase de separación, descubrieron que necesitaban la asombrosa cifra de 700 piconewtons. Dado que un solo cromosoma está unido a unas 15 fibras, esto implica que cada fibra está generando unos 50 piconewtons de fuerza durante la separación, lo cual es mucho más alto que los 7 piconewtons observados anteriormente. El modelo de Xie explica esto calculando que la velocidad a la que los cromosomas no manipulados se alejan del centro durante la separación es mucho más rápida que la velocidad de las fibras durante la alineación. Debido a que las fibras intentan alejar al cromosoma con tanta rapidez, la fuerza necesaria para contrarrestar ese movimiento y lograr que se detenga es naturalmente mucho mayor. El modelo muestra que si la fuerza de tracción en cada fibra durante la alineación es de aproximadamente 7.87 piconewtons, las matemáticas predicen perfectamente la fuerza de estancamiento de 700 piconewtons observada en los experimentos.

El estudio también aborda por qué otros experimentos han reportado fuerzas mucho menores para detener los cromosomas. En esos casos, los investigadores utilizaron rayos láser para sujetar los cromosomas. El nuevo modelo sugiere que la propia luz del láser puede haber dañado o desprendido los motores moleculares responsables de tirar de las fibras, ralentizando efectivamente al cromosoma. Si el cromosoma se mueve más lento porque los motores están deteriorados, entonces se requiere mucha menos fuerza para detenerlo. Esto explica la discrepancia sin necesidad de asumir que la célula tiene dos motores diferentes para la alineación y la separación. En cambio, la célula utiliza un mecanismo constante, pero la velocidad del proceso dicta la fuerza necesaria para detenerlo.

Además, la investigación hace una predicción específica sobre lo que sucedería si los científicos intentaran detener todos los cromosomas de la célula al mismo tiempo, en lugar de solo uno. El modelo sugiere que la fuerza total necesaria para detener todos los cromosomas simultáneamente sería aproximadamente cuatro veces mayor que la fuerza necesaria para detener solo uno. Por el contrario, la fuerza necesaria para detener cada cromosoma individual en ese grupo total sería solo el 17 por ciento de la fuerza necesaria para detener un cromosoma solitario. Este resultado contraintuitivo surge porque las fibras están interconectadas; detener una parte del sistema cambia la dinámica del resto. El autor espera que futuros experimentos puedan probar esta predicción, lo que confirmaría que el huso opera como una máquina unificada y autorregulada donde la fuerza generada está íntimamente ligada a la velocidad de movimiento.

Este trabajo proporciona una visión unificada de cómo las células gestionan las inmensas fuerzas de la división. Resuelve el enigma de por qué la fuerza de estancamiento es tan alta al demostrar que es una consecuencia natural de la alta velocidad de separación, en lugar de un aumento repentino en la fuerza de los motores moleculares. El huso no necesita cambiar de marcha o cambiar su motor; simplemente responde a la velocidad del proceso. Al comprender que la fuerza necesaria para detener una parte en movimiento está determinada por qué tan rápido se mueve esa parte, los científicos pueden entender mejor la mecánica de la vida en su nivel más fundamental. El estudio confirma que el huso es un sistema robusto donde las fuerzas son equilibradas por las velocidades de los componentes, asegurando que los cromosomas se separen con la precisión y la potencia necesarias para que la vida continúe.