Avance científico: mitocondrias revelan en alta resolución el secreto de cómo las células obtienen su energía
Investigadores del Biozentrum de la Universidad de Basilea lograron observar la estructura de los supercomplejos mitocondriales directamente en células vivas.
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Un equipo científico ha conseguido visualizar por primera vez y con nitidez cómo las mitocondrias organizan internamente los procesos que permiten generar energía celular. Este avance científico fue liderado por investigadores del Biozentrum de la Universidad de Basilea, quienes emplearon una innovadora técnica de criotomografía electrónica para capturar imágenes en 3D y alta resolución de las estructuras responsables de la producción de ATP, el combustible esencial de las células.
Las imágenes revelan detalles clave sobre la arquitectura de los respirasomas, un tipo de supercomplejo mitocondrial cuya existencia se había planteado previamente, pero nunca antes había sido observado directamente en su estado natural. El hallazgo abre nuevas puertas en el estudio de la medicina celular, la biotecnología y el tratamiento de enfermedades mitocondriales, al mostrar con claridad cómo fluye la energía dentro de las células.
¿Cómo las mitocondrias producen energía?
Las mitocondrias son responsables de generar ATP a través de un proceso altamente organizado. Para lograrlo, emplean una cadena de proteínas respiratorias distribuidas en la membrana interna mitocondrial, que conforman los llamados complejos respiratorios. Estos incluyen el complejo I, el complejo III y el complejo IV, que actúan como estaciones de transferencia de electrones y bombeo de protones.
Tomograma de una mitocondria y la organización de mitorribosomas, ATP sintasas y respirasomas. Fuente: Science
Estos complejos se ensamblan en estructuras más grandes llamadas respirasomas, donde colaboran para optimizar la producción de energía y reducir el desperdicio. El nuevo estudio confirmó por primera vez la presencia de un patrón específico de organización: dos monómeros del complejo I, cuatro del complejo III y seis del complejo IV (I₂ III₄ IV₆). Este ensamblaje favorece una mayor eficiencia energética y protege a la célula de la formación excesiva de radicales libres, compuestos que pueden dañar el ADN y otras estructuras vitales.
La nueva técnica que revela el interior de las mitocondrias
La observación fue posible gracias a la criotomografía electrónica combinada con haces de iones enfocados, una tecnología que permite congelar células vivas a velocidades ultrarrápidas, evitando que el agua forme cristales y conserve intactas sus estructuras. Esta técnica ofrece una resolución de hasta 5,4 angstroms, suficiente para identificar la ubicación exacta de proteínas individuales en su contexto celular.
Mitocondria chlamydomonas reinhardtii, mostrando su organización tridimensional y detalles estructurales. Foto: Science
Los científicos, liderados por Florent Waltz y Ben Engel, aplicaron esta tecnología en la microalga Chlamydomonas reinhardtii, modelo ideal por su simplicidad y similitud funcional con células humanas. Así lograron visualizar por primera vez el respirasoma funcionando en su entorno natural, sin alteraciones externas. Este hito representa un punto de inflexión en las técnicas de microscopía aplicadas a la estructura celular.
Arquitectura mitocondrial eficaz para la producción de energía
El estudio revela que los supercomplejos mitocondriales no están distribuidos al azar. Los investigadores observaron que las ATP sintasas, encargadas de sintetizar el ATP, se agrupan exclusivamente en las puntas de las crestas mitocondriales, mientras que las proteínas respiratorias ocupan zonas diferenciadas de la membrana interna.
Este orden espacial crea una arquitectura mitocondrial que favorece el flujo de electrones y mejora la producción de energía. Además, el hecho de que el complejo I nunca aparezca aislado sugiere que su ensamblaje como parte del respirasoma es un requisito estructural y funcional. Esta disposición contribuye también a minimizar el estrés oxidativo, al evitar fugas que puedan generar compuestos dañinos.
¿Qué aporta este hallazgo a la ciencia y la medicina?
Comprender con precisión cómo las mitocondrias organizan su maquinaria interna tiene un impacto directo en la medicina celular. Muchas enfermedades mitocondriales surgen por fallos en estos supercomplejos, y hasta ahora no era posible visualizar sus defectos en el entorno celular original. Este avance ofrece un camino para diagnosticar y tratar disfunciones energéticas a nivel molecular.
Además, en el ámbito de la biotecnología, el diseño natural de estas estructuras podría inspirar sistemas artificiales de generación de energía, optimizando procesos industriales basados en principios biológicos. La capacidad de estudiar la organización molecular en su estado funcional abre también la posibilidad de desarrollar terapias que modulen la formación de respirasomas para mejorar la eficiencia en células afectadas.
