Las señales de Calcio intracelular: Un lenguaje en la intimidad de las células. Un estudio matemático
Osvaldo Chara. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (CONICET - UNLP).
La dinámica del Calcio intracelular provee un muy interesante ejemplo en el cual la controversia “simple” versus “complejo” puede ser investigada. En la ciencia pueden verse dos casos límites en la exploración del conocimiento. Estos dos paradigmas pueden encontrarse en la física y en la biología. Clásicamente, la física suele llevar a cabo aproximaciones que tienen una tendencia hacia la simplicidad. Por el contrario, las aproximaciones de la biología suelen tener una tendencia a la complejidad.
Una manera de establecer una suerte de puente entre estos dos tipos de aproximaciones (y entre estas dos disciplinas) es llevar a cabo modelización matemática inspirándose en problemas físicos pero en el contexto de un problema biológico. La idea, simplemente, es llevar a cabo un modelo matemático, descrito por alguna o algunas expresiones matemáticas, que de cuenta del fenómeno biológico en estudio. Recientemente, Alejandra Ventura y colaboradores (2006), en el grupo de Silvina Ponce Dawson, en el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, UBA estudiaron el calcio intracelular siguiendo esta línea de pensamiento.
El calcio es un ión que aparece como un mensajero intracelular. Ciertos eventos extracelulares generan cambios en la concentración de este ión que son interpretados por la maquinaria celular promoviendo comportamientos diversos. De este modo, el Calcio participa de un “lenguaje intracelular”. Una forma de comprender este lenguaje que es hablado permanentemente por las estructuras de nuestras células es hacer un modelo matemático que de cuenta del comportamiento celular observado.
Calcio intracelular: La concentración de este ión libre resulta de la combinación de los aportes provenientes de bombas, transportadores, reservorios o buffers.
Ahora bien, el calcio puede ingresar a las células a través de canales de calcio insertados en la membrana plasmática o en membranas intracelulares. Una vez dentro del citoplasma el calcio puede difundir o unirse a estructuras móviles o inmóviles que pueden atraparlo por un tiempo breve y luego soltarlo nuevamente. Estas estructuras son generalmente proteínas y se denominan en inglés buffers (podríamos traducirlos como amortiguadores, pues en virtud de su capacidad de almacenar calcio podrían amortiguar los cambios de la concentración intracelular de calcio). Por otro lado pueden ser exportadas hacia fuera de las células mediante otras proteínas llamadas transportadores o bombas. De este modo, hacer un modelo matemático de la concentración intracelular de calcio en todo el espacio interior de la célula en función del tiempo implica incorporar todos estos procesos. Para ello se puede emplear un sistema de ecuaciones llamadas de Reacción-Difusión, como ya fuera llevado a cabo previamente, incorporando con sumo detalle todos y cada uno de los procesos comentados.
El problema, como puede imaginarse, es que el modelo puede tornarse enormemente complicado. La pregunta que intentan responder los autores es ¿Cuánto detalle deberían incorporar en un modelo para extraer información cuantitativa de los experimentos? Los autores proponen que modelos muy simples – que no incorporen demasiado detalle de los procesos arriba mencionados – podrían reproducir no sólo información cualitativa sino también cuantitativa. Ahora bien, ¿cómo construir modelos “simples”? Una forma que ya fuera explorada previamente, es reducir un modelo complicado a uno más sencillo. Otra forma es llevar a cabo modelos conducidos por experimentos (data-driven models en inglés). Ventura y colaboradores llevaron a cabo este tipo de modelización para estudiar las “señales de Calcio”, es decir, el cambio de la concentración intracelular del calcio como respuesta a la entrada del propio Calcio a la célula.
Las señales de calcio pueden tener distintas formas y los modelos conducidos por experimentos deben incorporar estas formas con funciones o, al menos, valores de parámetros diferentes a partir de soluciones individuales. La ventaja práctica de esta aproximación a las señales de calcio es obtener la amplitud y las cinéticas de la concentración de calcio intracelular que corresponde a cada observación experimental. De este modo la función que describe la entrada de Calcio a la célula no se propone a priori, sino que se obtiene por ajuste de los datos experimentales.
Los autores muestran que un sencillo modelo, cuyos valores de los parámetros se ajustan a partir de los datos experimentales, puede reproducir ciertas señales de calcio observadas experimentalmente. Interesantemente, este modelo no solo describe cualitativamente sino también cuantitativamente resultados experimentales, intentando conciliar la aparente dicotomía de “simple” versus “complejo”.
Trabajo original: Ventura, A.C., Bruno, L. & Ponce Dawson, S. 2006. Simple data-driven models of intracellular calcium dynamics with predictive power. Phys. Rev. E 74, 011917-1:11.