Las “redes sociales” de las mitocondrias de las plantas

Dentro de las células de plantas aparentemente estáticas, hay poblaciones vibrantes de organelos móviles. Cientos de mitocondrias, las proveedoras de energía de la célula, se mueven por cuenta propia, siguiendo su viaje, e interactuando entre ellas mientras lo hacen. Las mitocondrias dan pequeños pasos para explorar su área celular local, y utilizan “carreteras” dentro de la célula (filamentos hechos de actina) para atravesar rápidamente largas distancias. Aunque este movimiento ha sido bien caracterizado, el misterio permanece: ¿Por qué la planta invierte energía en mover estos potentes organelos por la célula?

En la superficie, las mitocondrias de las plantas tienen una labor imposible. Por una parte, reunirse les beneficia. Pueden fusionarse e intercambiar ADN mitocondrial (mtADN), proteínas y otros compuestos químicos, en una constante colaboración que es importante para la planta. Cuando se afecta este intercambio, por mutaciones, por ejemplo, las plantas crecen más lentamente y son menos verdes. Incluso pueden llegar a ser estériles o experimentar otros problemas. Por otro lado, es bueno que las mitocondrias mantengan su independencia. Una distribución uniforme de mitocondrias en la célula asegura un suministro uniforme de energía, limita la acumulación de compuestos químicos dañinos para la célula y permite que las mitocondrias entren en contacto con otros organelos. Creemos que el movimiento mitocondrial puede ser una manera de tener lo mejor de los dos mundos — permitir los encuentros ocasionales mientras se mantiene una distribución uniforme de mitocondrias en la célula. Pero para explorar esta idea necesitábamos comprender cómo se mueven realmente las mitocondrias y cómo es que distintos movimientos permiten resolver esta disyuntiva.

¿Cómo explorar estas comunidades dentro de la célula vegetal? Comencemos por examinar cómo se mueven las mitocondrias. En nuestro laboratorio en la Universidad de Birmingham (nuestro grupo tiene como base la Universidad de Bergen pero ¡somos internacionales!), utilizamos microscopía de láser en células vivas para observar las mitocondrias de plántulas de Arabidopsis, una planta favorita para estudios experimentales. El profesor David Logan, quien ha sido pionero en el campo de la dinámica mitocondrial de plantas, generó y amablemente nos proporcionó una línea de plantas con mitocondrias marcadas con proteínas fluorescentes. Utilizando estas plantas, podemos tomar video de la dinámica de las mitocondrias, como podemos ver ocurriendo en una sola célula del hipocótilo (tallo en desarrollo) en el siguiente video.

A partir de videos como éste, podemos utilizar algoritmos para rastrear la posición de cada una de las mitocondrias a lo largo del tiempo. La computadora nos reporta sus velocidades, los ángulos de sus movimientos, las distancias entre ellas y la superficie que recorrieron.

¿Cómo afecta este movimiento su capacidad para reunirse y compartir contenido? La respuesta vino al utilizar un modelo sorprendente — redes sociales. Las redes sociales describen las interacciones entre individuos — generalmente personas — pero aplicamos la idea a las mitocondrias. Cuando una mitocondria se encuentra a una corta distancia de otra (aproximadamente, un micrón equivalente a la longitud de una mitocondria), lo registramos como un ‘encuentro’. Estos ‘encuentros’ les dan la oportunidad a las mitocondrias de fusionarse e intercambiar contenido e información genética. Con el tiempo, estos encuentros se acumulan y pueden ser representados como la red social de una población. Los nodos de la red son mitocondrias individuales y los bordes entre ellas son los encuentros. Ya que la teoría de este tipo de redes ha sido muy bien desarrollada, podemos utilizarla para contestar preguntas como: ¿qué tan conectadas se encuentran las mitocondrias de determinada célula? ¿Las mitocondrias forman “comunidades” (grupos sociales muy unidos)? ¿Cuánta variación “social” existe entre mitocondrias? Y ¿qué tan eficientes son estas redes para compartir información?

Construimos redes sociales de plántulas de Arabidopsis y las comparamos con simulaciones hechas por computadora para explorar lo que podría lograr una planta con diferentes movimientos mitocondriales. Estas simulaciones muestran que, efectivamente, hay un delicado equilibrio: una tensión entre que las mitocondrias se encuentren esparcidas de manera uniforme o que se encuentren muy conectadas socialmente. Ninguna célula vegetal, ni siquiera en simulación, puede lograr ambas al mismo tiempo. A la vez, encontramos que las células resuelven esta tensión tan, o incluso más eficientemente, que cualquiera de nuestras simulaciones. La eficiencia de estas redes sociales mitocondriales —una medida de qué tan fácilmente pueden compartir contenido— es mucho mayor que las simulaciones teóricas. Esto sugiere que la dinámica de las mitocondrias de plantas han evolucionado para compartir contenido eficientemente — sin tener que sacrificar una distribución uniforme por toda la célula y, por tanto, su habilidad para suministrar energía, evitar la acumulación de compuestos dañinos y encontrarse con otros organelos.

Para sustentar nuestros resultados, observamos las mitocondrias de una línea mutante de Arabidopsis llamada friendly (o amigable en español, así llamada porque las mitocondrias de esta línea de plantas son muy amigables y se mantienen juntas durante períodos más largos de tiempo lo que perturba la distribución uniforme de mitocondrias en la célula). El profesor también trabajó en su diseño y nos brindó algunos individuos para nuestros experimentos. En estas plantas, las mitocondrias forman comunidades altamente conectadas que, inicialmente, no se reúnen con otros grupos de mitocondrias de manera frecuente, lo que limita su capacidad de compartir información. Sin embargo, esta situación no se mantiene por mucho tiempo. Observamos que las mitocondrias sociales (o populares) viajan de grupo en grupo, de comunidad en comunidad, conectando todos estos agrupamientos y eventualmente alcanzando una eficiencia similar a las plantas no mutantes.

Observar la conectividad social de estos dinámicos organelos nos ha ayudado a descubrir la disyuntiva a la que las mitocondrias se enfrentan, y nos muestra la eficiencia de su extraordinaria movilidad para conseguir las mayor ventaja de estar separadas físicamente (para suministrar energía de manera uniforme) y, al mismo tiempo, poder reunirse (para permitir el intercambio de material) cuando sea necesario. En el futuro, trabajaremos en comprender a mayor profundidad las implicaciones de esta disyuntiva para el metabolismo de las plantas (donde el posicionamiento de las mitocondrias da forma a la comunicación con otros organelos, que es esencial para la fotosíntesis y la fotorrespiración) y la genética (donde el intercambio mitocondrial influye sobre el mantenimiento y la herencia del ADN mitocondrial). Estos temas son tanto de interés para la biología básica, como para la agricultura pues es el metabolismo de las plantas lo que alimenta al mundo. Además, el mtADN juega un papel fundamental en la producción de cultivos híbridos.

Para más conocer más y para acercarse al colorido mundo de las mitocondrias vegetales, puedes consultar www.mitochondriamove.com y leer nuestro trabajo aquí: https://www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(21)00133-2

Joanna e Iain están interesados en las dinámicas, genética y evolución de organelos en todos los organismos, particularmente, en plantas. El Grupo de Biología Estocástica, que Iain dirige, trabaja con una mezcla de datos experimentales y aproximaciones con modelos para entender sistemas biológicos estocásticos y complejos. Joanna es una estudiante de doctorado en la Universidad de Birmingham, en Reino Unido y una apasionada comunicadora de la ciencia. Iain es Profesor Asociado en la Universidad de Bergen, Noruega. Sigue a Joana, @ChusteckiSci, y a Iain, @mitomaths, en Twitter y consulta el trabajo del Grupo de Biología Estocástica aquí: https://org.uib.no/stochasticbiology/people.html. Puedes revisar otros de sus videos en su canal de YouTube aquí: https://www.youtube.com/channel/UCp-q3_8CbR2Lh5PcaCYSfNQ.