Dentro de las células de plantas aparentemente estáticas hay poblaciones vibrantes de orgánulos móviles. Cientos de mitocondrias, proveedores de energía de la célula, se mueven en sus propios viajes individuales e interactúan entre sí a medida que avanzan. Toman pequeños pasos para explorar su área celular local y usan 'carreteras' en la célula (filamentos hechos de proteína de actina) para viajar largas distancias rápidamente. Aunque este movimiento ha sido bien caracterizado a lo largo de los años, el misterio aún permanece: ¿Por qué la planta invierte energía en mover estas centrales eléctricas?
En la superficie, las mitocondrias de las plantas tienen una tarea imposible. Por un lado, es bueno que se reúnan. Pueden fusionarse e intercambiar ADN mitocondrial (ADNmt), proteínas y otras sustancias químicas, en una colaboración continua que es importante para la planta. Cuando este intercambio se ve comprometido, por ejemplo, por mutaciones en la maquinaria responsable, las plantas crecen más lentamente y menos verdes, y pueden ser estériles y experimentar otros problemas. Por otro lado, es bueno que las mitocondrias se mantengan separadas. Una distribución uniforme de las mitocondrias a través de la célula asegura un suministro uniforme de energía, limita la acumulación local de sustancias químicas dañinas y permite que las mitocondrias se reúnan con otra maquinaria celular. Pensamos que el movimiento mitocondrial podría ser una forma de obtener lo mejor de ambos mundos. - permitiendo encuentros ocasionales pero también manteniendo las mitocondrias bien distribuidas en la célula. Pero para explorar esta idea, necesitábamos comprender cómo se mueven las mitocondrias de las plantas reales y cómo los diferentes tipos de movimiento podrían ayudar a resolver esta compensación.
¿Cómo profundizamos en estas comunidades dentro de las células vegetales? Comencemos con cómo se mueven las mitocondrias. En nuestro laboratorio de la Universidad de Birmingham (nuestro grupo tiene su sede en la Universidad de Bergen, ¡pero somos internacionales!), usamos microscopía láser de células vivas para observar las mitocondrias en plántulas de Arabidopsis, una planta favorita para experimentos de laboratorio. El Prof. David Logan, quien ha dado forma al campo de la dinámica mitocondrial de las plantas, hizo y amablemente nos proporcionó una línea de plantas con proteínas fluorescentes adheridas a sus mitocondrias. A partir de esto, podemos tomar videos de la dinámica mitocondrial, como el lapso de tiempo a continuación desde una sola célula en el hipocótilo (tallo temprano).
Una sola célula vegetal, con mitocondrias (verde) moviéndose a lo largo de la capa de citosol junto a la superficie de la célula. El contorno en rojo es una mancha que muestra la pared celular. Un cloroplasto en el centro de la célula está marcado en rojo.
A partir de estos videos, podemos usar algoritmos para rastrear las posiciones de todas las mitocondrias individuales a lo largo del tiempo. Luego, la computadora informa su velocidad, los ángulos en los que se mueven, las distancias entre ellos y el área que cubren.
¿Cómo afecta este movimiento a su capacidad de encontrarse y compartir contenidos? La respuesta vino desde una perspectiva quizás sorprendente. - redes sociales. Las redes sociales describen interacciones entre individuos - generalmente personas, pero aplicamos la idea a las mitocondrias. Cuando una mitocondria se acerca a una pequeña distancia de otra (alrededor de una micra, que es la longitud típica de una mitocondria), registramos ese 'encuentro'. Estos 'encuentros' dan a las mitocondrias la oportunidad de fusionarse e intercambiar contenidos e información genética. Con el tiempo, estos encuentros se acumulan y pueden representarse como la red “social” de la población. Los nodos en la red son mitocondrias individuales y los bordes entre ellos corresponden a encuentros entre estos orgánulos. Debido a que la teoría de redes como estas está tan bien desarrollada, podemos usar la teoría establecida para ayudarnos a responder nuestras preguntas, que incluyen: ¿qué tan bien conectados están los individuos en esta celda? ¿Las mitocondrias forman “camarillas” (grupos sociales muy unidos)? ¿Cuánta variación “social” hay entre las mitocondrias? ¿Y cuán eficientes son estas redes para transmitir información?
Construimos estas redes para Arabidopsis plántulas, y las comparó con una amplia gama de simulaciones por computadora para explorar lo que la planta podría lograr teóricamente con diferentes movimientos mitocondriales. Estas simulaciones muestran que, de hecho, hay una cuerda floja para caminar: una tensión entre las mitocondrias distribuidas uniformemente y altamente conectadas socialmente. Ninguna célula vegetal, incluso en una simulación, puede lograr ambas cosas al mismo tiempo. Pero con el tiempo, descubrimos que las células vegetales adoptan una resolución a esta tensión que es tan eficiente, o más, que cualquiera de nuestras simulaciones. La “eficiencia” de estas redes sociales - una medida de la facilidad con la que se pueden compartir contenidos entre individuos - es notablemente alto en comparación con el comportamiento teórico. Esto sugiere que la dinámica de las mitocondrias de las plantas ha evolucionado para compartir contenidos de manera eficiente - sin sacrificar su distribución uniforme a través de la célula y, por lo tanto, su capacidad para proporcionar un suministro de energía uniforme, evitar la acumulación local de productos químicos dañinos y encontrarse con otra maquinaria celular.
Para respaldar estos hallazgos, observamos las mitocondrias en un mutante Arabidopsis línea llamada amigable (llamado así porque en esta línea de plantas las mitocondrias se vuelven muy “amigas”, permaneciendo juntas por más tiempo, lo que perturba la distribución uniforme de las mitocondrias en la célula). El Prof. Logan también creó y nos proporcionó plantas de esta línea. En estas plantas, las mitocondrias agrupadas forman grupos estrechamente conectados, que inicialmente no se encuentran con otros grupos con mucha frecuencia, lo que limita su capacidad para compartir información. Pero, curiosamente, este desafío a la resolución físico-social no se mantuvo en el tiempo. Observamos que las mitocondrias muy sociales (populares) viajan de grupo en grupo, de camarilla en camarilla, conectando estas comunidades y, finalmente, dando a la red general una eficiencia similar a la del caso no mutante.
La observación de la conectividad social de estos orgánulos dinámicos nos ha ayudado a descubrir una compensación con la que tienen que lidiar las mitocondrias y demostrar que utilizan su notable movimiento para tener lo mejor de ambos: estar bien distribuidos físicamente (para un suministro uniforme de energía) y compañerismo (para permitir el intercambio beneficioso de contenidos) cuando sea necesario. En el futuro, estamos analizando con mayor profundidad las implicaciones de este intercambio tanto para el metabolismo de las plantas (donde el posicionamiento mitocondrial da forma a la interacción con otros orgánulos, esenciales para la fotosíntesis y la fotorrespiración) como para la genética (donde el intercambio mitocondrial influye en el mantenimiento y la herencia del ADNmt). ). Estos temas son tanto de interés biológico básico como de importancia agrícola, ya que el metabolismo de las plantas alimenta al mundo y las características del mtDNA juegan un papel importante en la producción de cultivos híbridos.
Para obtener más información y una mirada más colorida al mundo de las mitocondrias vegetales, consultewww.mitocondriamove.com, y lea el documento sobre este trabajo aquí: https://www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(21)00133-2
Joanna e Iain están interesados en la dinámica, la genética y la evolución de los orgánulos a lo largo de la vida, y en particular en las plantas. El Grupo de Biología Estocástica, que lidera Iain, trabaja con una combinación de datos experimentales y enfoques de modelado para comprender sistemas biológicos complejos y estocásticos. Joanna es estudiante de doctorado en la Universidad de Birmingham, Reino Unido y una ávida comunicadora científica. Iain es profesor asociado en la Universidad de Bergen, Noruega. Sigue a Juana, @ChusteckiSci, e Ian, @mitomaths, en Twitter y vea más sobre el Grupo de Biología Estocástica aquí:https://org.uib.no/stochasticbiology/people.html. Puedes encontrar más de sus videos en su canal de YouTube aquí: https://www.youtube.com/channel/UCp-q3_8CbR2Lh5PcaCYSfNQ.
