Un grupo de investigadores de la Facultad de Farmacia y Bioquímica estudia cómo hacen las células para regular el agua que ingresa en ellas. Las membranas poseen proteínas llamadas acuaporinas, que forman parte de una familia encargada de estos pasajes. Las acuaporinas fueron estudiadas por primera vez hace sólo veinte años, y todavía tienen mucho por enseñarnos. Conocer cómo funcionan, a su vez, permite una gran cantidad de aplicaciones y abre nuevos campos de estudio.

Imaginen navegar por el mar del Caribe, sentir el viento, observar peces de colores que nadan alrededor, parecen libres, capaces de llegar a cualquier lado. O eso creen, hasta que les surge una complicación, antes de llegar hasta el océano Pacífico algo impide su paso, aparece un continente en el medio, América se interpone en su camino. No pueden cruzar. Podrían, quizás, atravesar el continente a “pie”, y conseguirse otro barco del otro lado. Cumplirían su objetivo, pero toma mucho tiempo. Si existiese otra opción más rápida… A las moléculas de agua que llegan a la membrana de las células les pasa algo similar.

Desde niños sabemos que estamos hechos de agua, las células son algo así como ´pequeños empaques de agua con alguna que otra cosa flotando´. En eso se resume la vida. Y no solemos preguntarnos cómo llegó el agua hasta ahí. Las moléculas tienen bastantes problemas para atravesar la membrana plasmática porque es hidrofóbica, es decir, no tiene afinidad por el agua, es más, la repele. Puede hacerlo, pero no le resulta nada fácil. Como si hubiese dejado su bote anclado al este de América y se propusiese atravesarla a pie. Hasta hace pocos años se creía que mediante este mecanismo las células regulaban su cantidad de agua, lo que se conoce como difusión a través de la membrana.

Pero los números no cerraban. La velocidad con la que ocurre el tránsito de forma natural ni se acercaba a las velocidades reales de pasaje de agua que se habían observado. Como si en vez de atravesar el continente a pie existiese un canal que, mediante un sofisticado sistema y una arquitectura específica, conectase ambos océanos y permitiese cruzar navegando sin problemas.  Durante años, los científicos buscaron arduamente entender este mecanismo, y desde 1991 comenzaron a investigarlo en todo el mundo. Tres enfoques marcaron el avance en esos primeros años. Por un lado, un grupo estudiaba en particular el transporte de agua en la membrana. Otros científicos se concentraron en la secuenciación, es decir, se basaron en el hecho de que las proteínas son cadenas largas de diferentes aminoácidos, uno al lado del otro, para encontrar el orden en que estos se asocian. Y hallaron secuencias muy similares en organismos muy diferentes. Era, al menos, sospechoso. Por otro lado, un tercer grupo de investigadores estudiaba glóbulos rojos y, casi por casualidad, encontró una proteína muy abundante pero que aún no había sido reportada.

En este tercer grupo estaba Peter Agre, que si bien no formaba parte de esa intensa búsqueda, logró describir las acuaporinas, que encajaban en esas curiosas secuencias similares, y regulaban el intercambio de agua. Así es que, casi por accidente, unificó las investigaciones y gracias a ello obtuvo el Nobel en 2003. Abrió, entonces, un mundo nuevo.

Las acuaporinas existían, ¡buenísimo! Pero entonces: ¿qué son? La doctora Karina Alleva, profesora asociada de la cátedra de Física de la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la Universidad de Buenos Aires (FFyB) explica: “Son proteínas que se encuentran en la membrana de las células y se encargan, en principio, de transportar agua. Llevan ese nombre porque se las descubrió como canales de agua, pero cada año que pasa se encuentra que también transportan otras sustancias. Podemos decir que son canales que permiten el paso de pequeños solutos”. ¿Y por qué es interesante estudiar las acuaporinas? “Es una familia muy grande, integrada por proteínas relacionadas, aunque cada miembro tiene características diferentes. Son proteínas ancestrales, todos los organismos las tienen, en cualquier célula encontramos acuaporinas. Son pequeñas y simples, sin embargo, su espectro funcional es muy amplio”, detalla Alleva.

Se trató de uno de esos descubrimientos que generan todo un nuevo campo de estudio, de la misma forma en que el canal de Panamá revolucionó las posibilidades de intercambio entre regiones que antes estaban incomunicadas, e hizo posible navegar desde el Caribe al Pacífico. Permitió entender algunos mecanismos y estructuras generales de otros tipos de proteínas, pero aún queda mucho por desentrañar. Y en el proceso, además de ampliar la comprensión básica sobre cómo funciona el mundo que nos rodea, se desarrollan numerosas nuevas aplicaciones.

Acuaporinas por todas partes …

Los nuevos conocimientos sobre acuaporinas dan origen cada vez a mayor cantidad de aplicaciones posibles. Algunas de ellas:

Terapia génica para el control de patologías: recién ahora comienza a relacionarse la expresión de acuaporinas con enfermedades. Apenas estamos entendiendo cómo intervenir en el desarrollo de nuevos métodos con el fin de tratar las patologías en las que intervienen acuaporinas.

Control de plagas: nuevos estudios evalúan si las acuaporinas regulan la absorción de arsénico u otros tóxicos en insectos, para así desarrollar insecticidas.

Criopreservación de espermatozoides: el balance de agua en los espermatozoides es vital para asegurar que su criopreservación no provoque daños estructurales. 

Mejoramiento de cultivos: gracias a los avances en los estudios de acuaporinas en plantas, se conoce cada vez mejor cómo manejan el agua y otros solutos vitales. Las investigaciones actuales buscan cómo facilitar o evitar esos intercambios según los requerimientos.

Membranas biomiméticas para purificación de agua: cuando se conoce detalladamente la estructura natural de estos canales que permiten sólo el pasaje de agua, se posibilita desarrollar artificialmente otros que copien esa estructura y obtener así filtros muy específicos para purificar el agua de manera más eficiente.

Regulación de la madurez de frutas: la maduración está relacionada con el contenido de agua. Científicos estudian cómo la actividad de las acuaporinas y el balance de agua en las células determinan el envejecimiento de la fruta y sus propiedades sensoriales.

Una incursión al mundo de las acuaporinas

El grupo de investigadores a cargo de Alleva ha emprendido este camino. En particular, estudian la relación entre la estructura y la función que cumplen estas proteínas. “Buscamos entender qué cuestiones estructurales de la acuaporina están relacionadas con su función”, señala Alleva, que también es investigadora independiente en el Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas, IQUIFIB - CONICET.

Y continúa: “Se avanza a la vez en la caracterización de las funciones, por un lado, y la relación que tienen con la estructura, por otro. Trabajamos con unas acuaporinas de plantas que tienen un segmento intracelular más extenso que otras. Esto les permite reaccionar a las modificaciones de acidez del medio y regular así el intercambio. Queremos conocer cómo el canal se abre y se cierra al modificarse esas condiciones”, detalla la investigadora. Cada tipo de acuaporina tiene diferentes mecanismos de apertura que son controlados por factores variados, por ejemplo, la cantidad de calcio.

La investigación avanza gracias a tres aliados muy especiales: una remolacha, una rana y una medusa. ¿Y cómo hacen una remolacha, una rana y una medusa para contribuir al estudio de las acuaporinas? Una especie de remolacha, Beta vulgaris, es muy utilizada en este campo, sus células sirven como modelo ya que poseen acuaporinas vegetales clásicas. Pero estudiar estas moléculas directamente en la remolacha es complicado, por eso los investigadores necesitan una forma más simple que permita aislarlas y trabajar con ellas. Ahí es donde entran en juego los anfibios, en particular, una especie de Xenopus. En realidad, aunque se parecen, los Xenopus no son ranas. Estos animalitos tienen características que ayudan a los investigadores en numerosas áreas de la ciencia.

En el laboratorio agregan a ovocitos de Xenopus el ARN mensajero que codifica para estas proteínas. Los ovocitos son células bastante grandes y prácticas para el trabajo en el laboratorio. De esta forma logran que estas células expresen la proteína que originalmente estaba en la remolacha. De repente tienen células de Xenopus, más fáciles de manejar, llenas de acuaporinas de remolacha.

Aun así, todavía sigue siendo complicado identificar correctamente las acuaporinas, ya que no se pueden observar a simple vista. Por esta razón, a la acuaporina se le asocia una proteína fluorescente que tienen unas medusas, modificada. De esta forma, las acuaporinas ya no pueden esconderse, fluorecen, y los investigadores comienzan con los cambios en las condiciones del medio y los análisis correspondientes. Logran, entonces, medir cómo se modifica el pasaje de agua a través de la membrana de la célula en diferentes condiciones, en distintas acuaporinas, y en variadas conformaciones y asociaciones entre ellas. Y fue así cómo pudieron caracterizar detalladamente las funciones de estas proteínas.

Acuaporinas unidas

En otra de las líneas de trabajo del grupo de Alleva se estudia la forma en que las acuaporinas se unen entre sí y las estructuras que conforman cuando están en la membrana, ya que siempre se agrupan de a cuatro. El grupo de investigadores publicó un trabajo en el que relacionan directamente la estructura formada por estas cuatro acuaporinas asociadas y cómo se cierran de acuerdo con la acidez del medio. Al observar detalladamente la expresión de diferentes tipos de acuaporinas encontraron la forma en que la célula puede controlar la cantidad de agua que ingresa con mucha precisión. A su vez, observaron que las acuaporinas son cooperativas, es decir, que sus funciones mejoran al estar asociadas.

El laboratorio es pequeño, y puede no estar tan equipado como otros laboratorios de acuaporinas, pero aun en estas condiciones, lejanas de ser las óptimas, siguen surgiendo ideas: “Tenemos una gran cantidad de proyectos pendientes, cada uno en una carpeta en un estante en el laboratorio, esperando. Ideas tenemos de sobra”. Mientras, realizan trabajos en cooperación con laboratorios de todo el mundo, y publican investigaciones de alto nivel, todo gracias al esfuerzo extra que cada miembro del grupo pone. E incluso en desventaja económica respecto de grupos de otros países, son un referente internacional en el ámbito de las acuaporinas. “Siempre surgen complicaciones, lo que definitivamente no estamos dispuestos a hacer es bajar la calidad de nuestro trabajo”, remarca la investigadora.

Entre los proyectos que tienen ahí en espera algunos son prioridad, y les gustaría encarar pronto. Entre ellos, el estudio de acuaporinas en parásitos y la optimización de membranas biomiméticas.

Arquitectura específica

Las acuaporinas son proteínas fáciles de identificar, a pesar de su gran variedad, siempre tienen seis pasos transmembrana, con patrones muy claros. ¿Qué significa eso? La proteína es una larga cadena de aminoácidos alineados, que atraviesa de un lado al otro la membrana, como si estuviese cosida. Si bien el orden de los aminoácidos puede modificarse, se mantiene la arquitectura, en cualquier organismo se encuentra la misma base. La estructura conforma un poro que se asemeja a un reloj de arena, un pequeño espacio en el medio por donde pasan las moléculas de agua y los solutos. De la misma forma en que los barcos pasan por el canal de Panamá, de a uno a la vez, esta disposición permite pasar a las moléculas prácticamente de a una.

La filosofía de las acuaporinas

Karina Alleva, a su vez, es estudiante de doctorado en Epistemología e Historia de la ciencia. Tiene un especial interés por entender las teorías que explican el funcionamiento cooperativo de las proteínas, y cree que el estudio de las acuaporinas también puede hacer aportes desde esta otra perspectiva. “Quisiera armar un grupo híbrido, con científicos interesados en Filosofía y filósofos interesados en ciencias”, resalta. Y añade: “La historia de las acuaporinas tiene todos los condimentos que permiten analizar los métodos y procesos puestos en juego cuando avanza el conocimiento. Este proyecto tiene esa doble riqueza”.

Múltiples perspectivas

En paralelo, en la Cátedra, además de los trabajos en el laboratorio y los estudios sobre filosofía de la ciencia desarrollan proyectos pedagógicos. Dedican un gran esfuerzo a mejorar los contenidos y a formar nuevos docentes. “La ciencia -rescata Alleva- es la actividad cultural humana, junto con el arte, que nos caracteriza. Es un modo de ser, es la manera que tenemos de conocer el mundo”.  La investigadora dice que disfruta especialmente del trabajo en ciencia porque es la forma de continuar aprendiendo todo el tiempo. Aunque resalta que, a pesar de ser un trabajo donde es indispensable la creatividad y la imaginación, es muy importante no descuidar otros aspectos de la vida como puede ser la expresión artística que ayudan a que uno se desarrolle de forma más completa y no termine estancado. Y, desde esta postura de múltiples enfoques, considera igual de relevante la necesidad de transmitir el conocimiento y enseñar a los estudiantes de la FFyB que pasan por la cátedra a ser futuros profesionales con criterio y una visión amplia del mundo que nos rodea.

Facundo Pieniazek

Licenciado en Ciencia y Tecnología de Alimentos por la Universidad de Buenos Aires. Se formó en el Curso de Divulgación Científica, del Centro de Divulgación Científica de la FFyB.

Equipo de investigación

Directora: doctora Karina Alleva, profesora de la cátedra de Física del Departamento de Fisicomatemática de FFyB-UBA  e investigadora independiente CONICET - Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas IQUIFIB; UBA-CONICET.

Miembros del equipo:

Florencia Scochera, bioquímica, estudiante de doctorado UBA, jefa de trabajos prácticos en la cátedra de Física, Depto. de Fisicomatemática, FFYB.

Romina Frare, biotecnóloga, becaria doctoral CONICET (codirigida por Gabriela Soto, INTA).

Victoria Vitali, doctora en Bioquímica, becaria postdoctoral CONICET, jefa de trabajos prácticos en la cátedra de Física, Depto. de Fisicomatemática, FFYB.

Romina Fox, licenciada en Ciencias Biológicas, doctora en Ciencias Biológicas, docente de la UNAHUR e investigadora asistente CONICET.

Agustina Canessa bioquímica, estudiante de doctorado UBA, ayudante en la cátedra de Física, Depto. De Fisicomatemática, FFYB.

Gerardo Zerbetto. Doctor en Bioquímica, becario postdoctoral CONICET, jefe de trabajos prácticos en la cátedra de Física, Depto. de Fisicomatemática, FFYB; jefe de trabajos prácticos de la UNAHUR.

Glosario

Acuaporina: proteína de membrana que funciona como canal y permite el pasaje de agua y pequeños solutos.
Membrana plasmática: cubierta que delimita a la célula, formada por diferentes lípidos y proteínas que contribuyen a mantener el equilibrio entre el medio interior y exterior.
Proteínas: moléculas indispensables para la vida encargadas de gran cantidad de funciones, formadas por largas cadenas de aminoácidos.
ARN mensajero: molécula que transfiere el código genético, actuando de base para la síntesis de proteínas.

Bibliografía

Jozefkowicz, Cintia, et al. "PIP water transport and its pH dependence are regulated by tetramer stoichiometry".  Biophysical journal 110.6 (2016): 1312-1321.

Jozefkowicz, Cintia, et al. "Loop A is critical for the functional interaction of two Beta vulgaris PIP aquaporins". PLoS One8.3 (2013): e57993.

Alleva, Karina; Osvaldo Chara and Gabriela Amodeo. "Aquaporins: another piece in the osmotic puzzle". FEBS letters 586.19 (2012): 2991-2999.

Jozefkowicz, Cintia, et al. "Heteromerization of Plant Aquaporins". Plant Aquaporins. Springer International Publishing, 2017. 29-46.

Alleva, Karina, José Díez, and Lucia Federico. "Models, theory structure and mechanisms in biochemistry: The case of allosterism". Studies in History and Philosophy of Science Part C: Studies in History and Philosophy of Biological and Biomedical Sciences 63 (2017): 1-14.