Operones y ruido bioquímico, ¿respuesta a una vieja pregunta?

Representación del interior celular de E. coli (fuente: www.sciencephoto.com)

A principios de 1960, los franceses Jacques Monod y Francois Jacob descubrieron que la bacteria entérica Escherichia coli, utilizaba tres genes estructurales especiales para sintetizar las proteínas para descomponer la lactosa, y que estos estos tres genes metabólicos podían ser apagados o encendidos, todos a la vez, desde un sólo punto de control. Monod y Jacob identificaron, por vez primera, una red de regulación genética (y por ello fueron galardonados con el Premio Nobel de Medicina en 1965). El tipo de red que describieron es lo que conocemos como un operón: un grupo de múltiples genes que están controlados como una sola unidad. El operón Lac (por lactosa) fue el primero de muchos que se descubrieron después, pero para finales de los 60's, quedó claro que este tipo de regulación genética no era una norma biológica. Hasta principios de la década de los 1990's, todos los operones descritos pertenecían a procariontes (hasta la fecha, se han identificado muy pocos en organismos multicelulares). ¿Por qué sucede esto? ¿Qué pudo favorecer que los operones se mantuvieran en los procariontes y por qué no están en los eucariontes? Una investigación publicada en Agosto de 2012, parece arrojar evidencias definitivas para responder esta vieja pregunta.

Oleg Lgoshin y Christian Ray, autores de la publicación, son bioingenieros computacionales, que utilizan la informática y las matemáticas para estudiar la señalización celular y otros procesos bioquímicos. Comenzaron a estudiar a los operones a finales de 2009, con el fin de determinar si su evolución pudo haber sido influenciada por la naturaleza “ruidosa” de las señalizaciones bioquímicas que regulan la transcripción genética bacteriana.

En los circuitos eléctricos, las fluctuaciones aleatorias de la corriente eléctrica que pasa a través de los diferentes componentes del circuito, crean ruido. Esto puede ser detectado con aparatos especiales, pero también podemos escucharlo como un crujido al sintonizar la radio, e incluso podemos "verlo" al sintonizar un canal sin cobertura en una televisión (estos tipos de ruido se deben principalmente, a fluctuaciones aleatorias de la señales de radio o TV). De manera análoga, en cada célula hay muchos “circuitos genéticos”, cada uno compuesto de un grupo particular de reacciones bioquímicas que contribuyen a algunos procesos biológicos. La aleatoriedad en estas reacciones (por ejemplo, pequeñas variaciones en la producción de proteínas) generan “ruido bioquímico”.

Una célula responde a los cambios en el ambiente utilizando reguladores para controlar la expresión génica. Así, administra la síntesis de proteínas que le ayudan a afrontar las nuevas condiciones ambientales. Pero el control que la célula pueda tener se ve limitado por la cantidad de moléculas, como RNA's mensajeros, que moderan la producción de proteínas. En las bacterias, el número de copias de una proteína expresada por un gen puede variar ampliamente en muy poco tiempo, incluso si las condiciones del ambiente se mantienen constantes. Estas fluctuaciones aleatorias afectan muy poco a los eucariontes, que tienen grandes volúmenes celulares y muchas más copias de RNA mensajero y de proteínas.

Por ello, Igoshin y Ray decidieron poner a prueba la hipótesis de que los operones juegan un papel importante en las bacterias al ayudarlas a tratar con estas condiciones “ruidosas”. Desarrollaron una serie de modelos matemáticos de redes genéticas que podían ser probadas en simuladores computacionales en vez de en cultivos celulares. Sus modelos cubrieron seis tipos diferentes de interacciones entre proteínas. Para cada tipo de interacción, compararon cómo los operones afectaban el ruido en las redes codificados por los genes involucrados. Para tres de las seis redes, los operones lograron reducir el ruido, mientras que para las otras tres, lo incrementaron. Porsteriormente, los autores examinaron la organización de los operones en el genoma de E. coli, encontrando que los operones eran frecuentes cuando el tipo de interacción para el que codificaban trabajaba para suprimir el ruido, y que cuando la interacción codificada lo aumentaba, los operones eran infrecuentes. Estos resultados puede interpretarse de la siguiente manera: los operones que surgieron en el curso de la evolución en E. coli son consistentes con la selección para la reducción de ruido y selección en contra de su amplificación.

El estudio también arroja claves para entender por qué genes específicos pueden encontrarse en un operón específico. ”Ciertos genes se desempeñan mejor cuando están controlados como una unidad, particularmente si producen ingredientes asociados (co-productos) que son requeridos en cantidades proporcionales. En las simulaciones, cuando estas se separan y se colocan en operones diferentes, el ruido inherente en las señales de control da lugar a una situación en la cual la célula queda con demasiado o muy poco de alguno de los co-productos. En algunos casos, esto es sólo ineficiente, pero en otros las acumulaciones podrían ser tóxicas”, afirma Christian Ray.

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Categories: Bioinformática, Eucariontes, Evolución, operón, PROCARIONTES, regulación genética, simulaciónes