El oxígeno mata. Desde hace 2000 millones de años, cuando aumentó dramáticamente su concentración atmosférica, los productos altamente tóxicos de la reducción parcial del oxígeno, denominados Especies Reactivas de Oxígeno (EROs) han provocado la muerte de un sinnúmero de individuos y de especies. Cada organismo ha sido forzado a encontrar cómo enfrentar esta agresión. En mamíferos, el daño por EROs se aprecia en la mutagénesis, en el daño por isquemia-reperfusión y en el envejecimiento de los individuos. Probablemente la evolución hacia pluricelulares y a especies con especialización tisular, llegando a los oxi-reguladores ha obedecido en gran medida a la necesidad de lidiar con las EROs. Hay varios mecanismos de detoxificación de EROs, pero éstos pueden ser rebasados fácilmente cuando la célula entra en estrés o cuando un organismo pluricelular sufre isquemia/reperfusión. Antes de la detoxificación, se encuentran los sistemas de prevención de la activación del oxígeno. Son muchísimos, pero sus mecanismos apenas están siendo dilucidados.
La principal fuente de radicales libres que activan a las EROs es la cadena respiratoria. Normalmente, estos radicales libres son desactivados rápidamente evitando su reacción con el oxígeno, pero en ausencia de síntesis de ATP el flujo de electrones se hace lento, debido a la acumulación de un potencial transmembranal eléctrico y los radicales libres tienen tiempo de llevar a cabo reacciones colaterales. Para evitar esto, la célula ha desarrollado la habilidad de desconectar el consumo de oxígeno de la fosforilación. A esto se le llama Desacoplamiento Fisiológico. Es importante en este contexto considerar otros caminos metabólicos estrechamente conectados con la fosforilación oxidativa, como la glucólisis. Ambos caminos metabólicos se regulan mutuamente y eso es motivo de investigación en nuestro laboratorio.
Los mecanismos de desacoplamiento fisiológico han sido agrupados en dos, las tarjas de protones y las cadenas respiratorias ramificadas. Las tarjas de protones pueden ser específicas, como las proteínas desacoplantes o pueden ser inespecíficas, como el poro de transición mitocondrial. Las cadenas respiratorias ramificadas incluyen en su composición enzimas redox que no bombean protones y por lo tanto funcionan independientemente de la síntesis de ATP.
El proyecto consiste en analizar la actividad de los diferentes sistemas desacoplantes fisiológicos. En la levadura S. cerevisiae y en otras especies de levadura se ha estudiado a la mitocondria donde se han detectado tanto tarjas de protones como cadenas ramificadas. Se propone continuar estos estudios para identificar las condiciones en que estos sistemas se activan para detoxificar radicales libres. Las cadenas respiratorias ramificadas bacterianas contienen mayor número de enzimas redox no productivas que las cadenas mitocondriales eucariotas por lo que se propone continuar estudiando cómo se adaptan a la concentración de oxígeno los organismos procariontes. Tenemos datos preliminares que demuestran que hay una expresión diferencial de estas enzimas marcada ante los cambios de concentración de oxígeno del medio.
Un sistema diferente para enfrentar el oxígeno es la evasión (avoidance). Este mecanismo de observa entre los organismos más primitivos, que viven en medios anaerobios como el intestino, o viven dentro de un hospedero o incluso forman biopelículas, pero también en los más desarrollados pluricelulares, que han sido cubiertos por un epitelio impermeable que excluye a los gases de la atmósfera y se denominan oxi-controladores. Estamos estudiando varios de estos sistemas. La formación de bio-películas por S. epidermidis es uno. La estrategia de Wolbachia sp para excluirse del medio aerobio internándose en un hospedero es el segundo y la migración vertical en la columna de agua por crustáceos como Artemia o ciertas especies de camarón es un tercero.
Al final, esperamos contribuir a comprender los sistemas para evitar la toxicidad del oxígeno. Con esta información, esperamos contribuir a la lógica del manejo de los eventos de isquemia-reperfusión o a paliar el deterioro sufrido por radicales libres en el envejecimiento.
A bajas concentraciones, las EROs actúan como mensajeros intracelulares, pero su sobreproducción de EROs es dañina. Las EROs participan en la isquemia/reperfusión que resulta en infartos al miocardio o en accidentes vasculares cerebrales. También llevan a padecimientos crónicos como el síndrome de Alzheimer e incluso el envejecimiento “normal”. A través del estudio en diferentes especies de levadura, en mamíferos y recientemente en bacterias, hemos identificado muchos de estos mecanismos. En levadura y en mamífero hemos caracterizado las proteínas desacoplantes, los canales inespecíficos mitocondriales (MUCs), las cadenas respiratorias ramificadas y la fuga de coenzimas respiratorias. En procariontes exploramos la gran plasticidad de la cadena respiratoria.
Otro tipo de patología donde incide nuestra investigación son las enfermedades transmitidas por vector. Los insectos albergan en sus células a un endosimbionte obligado, la Wolbachia. Esta bacteria tiene un gran potencial terapéutico, asombrosamente, para el insecto. Cuando Wolbachia invade al hospedero, modifica su flora bacteriana y viral. Esta característica puede usarse para eliminar virus como el dengue, el zika y chikunguya e incluso parásitos como los plasmodia, parásitos que causan el paludismo. Así, el estudio de Wolbachia puede tener repercusión importante en la prevención de las enfermedades transmitidas por vectores artrópodos.
Aparentemente la incapacidad de Wolbachia para vivir extra-celularmente se debe a su poca tolerancia al oxígeno y su estrategia para evitar encontrar EROs es ubicarse junto a una mitocondria que consuma el oxígeno citoplásmico. Nuestros primeros estudios en S. cerevisiae nos ayudaron a comprender mucho de esta patología, pero la muerte del hospedero nos ha detenido. Ahora estamos estudiando un nuevo hospedero, Rhodotorula mucilaginosa que nos debe ayudar a obtener grandes cantidades de la bacteria. Tenemos datos preiminares que indican que Wolbachia provee riboflavina y/o adenosina al hospedero. Esto puede manipularse para optimizar las infecciones por Wolbachia. Pensamos que Wolbachia se roba la energía del hospedero mediante la absorción de hexosas fosfatadas, ya que solamente expresa las enzimas de la segunda mitad de la glucólisis. El diseño del sistema basado en un hospedero alterno nos tomó dos años, pero el potencial para comprender a estos organismos la aplicabilidad de este sistema para tratar enfermedades epidémicas transmitidas por vectores, como el dengue o la malaria es evidente.