Facultad de Ciencias Exactas y Naturales-UBA   AÑO 16 - NÚMERO 552   LUNES, 20 DE MARZO DE 2006

El lenguaje del calcio

Silvina Ponce Dawson es doctora en Física. Sin embargo, su línea de investigación la ha llevado a codearse con la Biología. Es que desde la física biológica ella, y un grupo interdisciplinario, modelan matemáticamente procesos biológicos relacionados con algunos de los procesos físicos que ocurren en los organismos vivos.

Lo que sigue es, en sus propias palabras, el relato de cómo son y en qué consisten estos estudios de “análisis y modelado de señales de calcio intracelular”.

Por Silvina Ponce Dawson.

«Robert Hook (1635-1703) realizó las primeras observaciones sistemáticas de los tejidos y acuñó el término «células» para denominar a las unidades elementales de los tejidos. La ilustración corresponde al trabajo de Hook Micrographia, de 1665"

  Una característica primordial de toda célula viva es su habilidad para comunicarse con el medio que la rodea. Esta comunicación requiere un procesamiento de los estímulos externos. La “información entrante” es transportada dentro de la célula por alguna sustancia portadora (un mensajero) para su posterior “decodificación”. El calcio es un mensajero universal que interviene en una infinidad de procesos biológicos. Tiene un rol fundamental en las sinapsis neuronales. Participa en el acople entre la excitación eléctrica y la actividad mecánica en el músculo cardíaco. Está también involucrado tanto en el inicio de la vida como en la muerte celular. Dada su versatilidad en señalar el inicio de fenómenos tan distintos dentro de un mismo ámbito, podemos concluir que el calcio actúa como un componente multi-propósito dentro de la maquinaria celular.

  Surge entonces la pregunta de cómo puede hacerlo. Se supone que la información para iniciar uno u otro proceso está “codificada” en cómo se distribuye la concentración de calcio en el espacio y en cómo varía en el tiempo, es decir, en su dinámica espacio-temporal. Hace unos años, se determinó que la actividad de ciertas enzimas depende de la frecuencia con la que oscila la concentración de calcio. Este es un ejemplo de un mecanismo capaz de “decodificar” la información contenida en las oscilaciones del calcio. En cuanto a la distribución espacial, es importante recordar que las células no son ambientes espacialmente homogéneos, por lo que elevaciones locales de la concentración de calcio generarán distintas respuestas dependiendo de las componentes que se encuentren en la zona donde se produjo dicha elevación.

  Los músculos, por ejemplo, se contraen ante una elevación uniforme de la concentración de calcio, mientras que se relajan cuando la elevación se circunscribe a una zona dada.

  La exposición prolongada del interior celular a altas concentraciones de calcio libre lleva a la muerte de la célula. Por esta razón, los ladrillos constitutivos de las señales de calcio son elevaciones breves y localizadas de la concentración de calcio que ocurren cuando se abren canales específicos en la membrana plasmática o en la del retículo endo o sarcoplasmático. En muchos tipos celulares, en particular, en los ovocitos, existe una jerarquía de señales que involucran escalas espaciales repartidas sobre 6 órdenes de magnitud distintos: desde el tamaño del poro del canal (del orden del nanómetro) cuando se abre un solo canal, hasta el de la célula toda, como en las ondas intracelulares que se observan en ovocitos de 1mm de radio. Las escalas temporales involucradas en estos procesos son igualmente diversas. El estudio de las señales de calcio, por lo tanto, implica desafíos importantes. En particular, no existe una técnica experimental que permita resolver todas estas escalas simultáneamente.

  Distintos tipos de experimentos proveen pinturas parciales de los procesos involucrados en las señales de calcio. El modelado matemático de las señales es el que provee un marco general de las mismas con el cual se puede entender la conexión entre las distintas pinturas parciales que dan los experimentos. Es en este modelado y en el desarrollo de nuevas técnicas de análisis de los datos experimentales que yo trabajo, junto con varios estudiantes e investigadores del Departamento de Física de la FCEyN. Se trata de un proyecto interdisciplinario del cual participan también grupos de biólogos de otras universidades. Ahora bien, la diversidad de órdenes de magnitud de las escalas involucradas presenta también desafíos interesantes para el modelado, ya que hay herramientas más o menos adecuadas dependiendo de las escalas. Estas incluyen desde simulaciones estocásticas hasta descripciones de tipo campo medio. Un modelo abarcador debe compatibilizar estos abordajes en un marco único. Por otro lado, un aspecto que nos interesa explorar dentro de este proyecto es el nivel de detalle que es necesario incluir en el modelado para poder contestar preguntas biológicas. Los biólogos tienen una tendencia a resaltar las diferencias, mientras que los físicos tienden a abstraer los problemas, englobando en una misma descripción sistemas que, para los biólogos, son claramente distintos. ¿Pueden los físicos con su tendencia a la simplificación contestar preguntas biológicas? Yo creo que sí y uno de nuestros desafíos es mostrarlo.

  En este proyecto estamos tratando de entender el “lenguaje” del calcio, determinando las “palabras” que puede pronunciar y cómo éstas se ven afectadas por los distintos componentes presentes en la célula. En este camino estamos aprendiendo también a comunicarnos con científicos que miran el mismo problema con otros ojos.

Algunas de las funciones celulares dependientes del ion calcio en las células de mamíferos

Señales de calcio en ovocitos de Xenopus Laevis usando microscopía confocal e indicadores fluorescentes de calcio. En estos ejemplos las señales de calcio ocurren cuando se libera calcio desde el retículo endoplasmático a través de canales/receptores de IP3. Las distintas señales son obtenidas liberando distintas cantidades de IP3. Los blips corresponden a liberaciones pequeñas y las ondas a liberaciones mayores. En las figuras, el eje vertical es la posición y el horizontal es el tiempo. Los tipos de eventos que se observan son: blips (se supone que corresponden a la liberación a través de un único canal), puffs (se supone que corresponden a la liberación a través de varios canales en un cúmulo) y ondas (cuando la liberación desde un cúmulo induce la liberación desde otro vecino). Estas son algunas de las «palabras» que pronuncia el calcio en estas células. Las figuras fueron hechas por el grupo de Ian Parker de la Universidad de California en Irvine.

Ciencia, Tecnología y Género Silvina Ponce Dawson.   La doctora Silvina Ponce Dawson, no sólo es investigadora y docente en la FCEyN sino que también, desde julio de 2005, es Directora del Departamento de Física. Pero además, interesada por cuestiones que relacionan su área científica con su propio género, representa a la Facultad coordinando un proyecto llamado “GenTec” (Proyecto Iberoamericano de Ciencia, Tecnología y Género).   El proyecto GenTec es una iniciativa de la Unesco para Iberoamérica, dirigido a conocer la situación de la mujer en las actividades de investigación científica. “Es un tema que tiene un fuerte interés mundial”, explica la investigadora. “En la mayoría de los países desarrollados la proporción de mujeres que siguen carreras como física, matemática o ingeniería es muy baja”.   Argentina, sin embargo, parece ser una grata excepción. El porcentaje de mujeres universitarias que se inclinan por la ciencia es del 33%, cifra que no resulta tan baja. Aún así, el número de varones en la carrera es mayor.   Pero, la supremacía masculina se pone aquí en evidencia en lo que se llama un “techo de cristal”. “Se llama así porque es invisible, comenta Ponce Dawson, e implica que, mantener la competitividad en el tiempo, en lo que es la carrera académica, se hace más difícil siendo mujer”.   “Las posibilidades de pasar de ser becario a investigador disminuyen mucho en el caso de las mujeres. La proporción de mujeres que pasan a niveles más altos es mucho más baja en comparación con la proporción de mujeres que entran a la carrera”.   Muchas veces, lo que interfiere en la carrera femenina son las obligaciones familiares. Por ejemplo, los viajes al exterior, necesarios para el desarrollo en este tipo de especialidades, suelen ser una complicación para las mujeres casadas. “Cuando es el hombre el que se quiere ir, generalmente la mujer deja de lado su actividad para acompañarlo, dice la doctora Ponce Dawson. “Pero no es tan fácil cuando es al revés, convencer a los maridos para irse del país”, concluye.   Pero, aunque a veces cueste encontrar a otra mujer haciendo investigación en física, la doctora Ponce Dawson no se siente discriminada. “Nunca sentí un trato diferente”, reconoce. Patricia Olivella