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Circuitos moleculares que optimizan la detección de señales celulares

18/10/2010

¿Qué tipos de redes moleculares son capaces de detectar mejor diferentes estímulos celulares, e interpretar la información transmitida en presencia de ruido? En un reciente trabajo teórico investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid analizan las propiedades de circuitos generales de tres componentes, y llegan a la conclusión de que un tipo de circuito muy común en redes biológicas es capaz de detección óptima.

La supervivencia celular depende en muchas ocasiones de la respuesta que diferentes estímulos originan en la célula. Éstos se transmiten e interpretan mediante complejas redes de señalización que, de forma análoga a cómo las señales viales de una ciudad regulan el tráfico entre calles, coordinan espacial y temporalmente las interacciones entre diferentes grupos de genes en respuesta al estímulo.
Resultados experimentales recientes han demostrado que las redes de señalización celular pueden “descodificar” información contenida tanto en la amplitud y duración temporal de un estímulo como en su frecuencia, en caso de recibir estímulos que cambien de forma periódica con el tiempo. Por ejemplo, el número y periodo de oscilaciones en la expresión de algunas proteínas puede regular la respuesta a señales apoptóticas o de muerte celular si la célula sufre daños, para evitar su proliferación anómala que puede degenerar en tumores.

El grupo de Biología Computacional de la Facultad de Ciencias de la UAM, en colaboración con el laboratorio de Sistemas Genómicos del Centro Nacional de Biotecnología, ha desarrollado un marco teórico general para estudiar la respuesta a diferentes características de los estímulos (amplitud, frecuencia) por redes moleculares sencillas, constituidas por una molécula que transmite la señal (input), una especie intermedia (sensor) y una especie molecular que origina la respuesta (output). A pesar de su aparente simplicidad, “circuitos” moleculares de esta clase son ubicuos en redes de señalización. Algunos de los más comunes son los circuitos de “retroalimentación”, en los que hay una interacción recíproca entre el sensor y el output.

En dicho trabajo, publicado en PloS ONE, los investigadores han demostrado que existe siempre una compensación en la detección de estímulos por circuitos con retroalimentación, de forma que circuitos que detectan bien la amplitud de una señal, son pobres detectores de frecuencia, y viceversa.
Sin embargo, hay otro tipo de circuitos muy comunes en redes de señalización que muestran algún tipo de interacción directa entre input y output. El trabajo demuestra que dichos circuitos son buenos detectores simultáneos tanto en amplitud como en frecuencia, y además resisten bien las fluctuaciones o “ruido” que de forma natural siempre transmite la señal, y que es deseable evitar. La alta presencia de este tipo de circuitos en redes biológicas sugiere que se pueden utilizar como módulos flexibles, adecuados para funcionar en diferentes contextos de señalización de forma óptima sin necesidad de elementos o conexiones adicionales.

Datos de la publicaicón:
Guantes R, Estrada J, Poyatos JF, 2010 Trade-offs and Noise Tolerance in Signal Detection by Genetic Circuits. PLoS ONE 5(8).

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