Una molécula sintética que imita a sustancias anticongelantes naturales podría mejorar la criopreservación de células y tejidos orgánicos

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La criopreservación de cultivos celulares podría mejorarse con la adición de una nueva molécula sintética anticongelante, la poliprolina. [iStock / dra_schwartz]

Numerosos organismos de clima frío resisten temperaturas extremas gracias a que sus células producen proteínas anticongelantes que retrasan o impiden la formación de cristales de hielo. Estas moléculas podrían resultar de gran utilidad en muchos ámbitos: en la agricultura, para desarrollar plantas resistentes al frío, en los alimentos, para mantener la consistencia cremosa del helado, por ejemplo, o en medicina, para mejorar la conservación de los tejidos vivos o los cultivos celulares cuando se los congela. Pero estas moléculas anticongelantes naturales son difíciles de extraer de los organismos. Un equipo formado por investigadores de la de la Universidad de Warwick y del Centro Nacional para la Investigación Científica de Francia ha estudiado ahora una molécula sintética que actúa como un anticongelante y tiene la ventaja añadida de ser biodegradable: la poliprolina.

En medicina, el cultivo celular in vitro se enfrenta al problema del almacenamiento a largo plazo. De hecho, en sucesivas generaciones de células aparecen variaciones genéticas o fenotípicas no deseadas. Una solución consiste en reducir la temperatura para detener los procesos biológicos. En ello se basa la criopreservación, en la que se sumergen las células en nitrógeno líquido a -196 ºC. Pero Sylvain Deville, coautor del estudio, explica el principal obstáculo de este proceso: «Cuando el exterior de las células se congela, el equilibrio de la concentración de sales entre el interior y el exterior de la célula varía abruptamente. La enorme diferencia entre ambos medios induce un estrés osmótico lo suficientemente elevado como para provocar literalmente la explosión de las células». Existen protocolos para congelar las células o los tejidos, pero son difíciles de aplicar y requieren el uso de soluciones crioprotectoras, tales como el dimetilsulfóxido (DMSO), que reduce el estrés osmótico. El problema es que estos solventes también resultan tóxicos. Su uso repetido puede alterar la expresión epigenética de las células al alterar la metilación del ADN. El obstáculo puede salvarse mediante el empleo de soluciones diluidas de DMSO, a menos del 10 %, pero entonces solo sobreviven el 5 por ciento de las células.

Y aunque se resuelva el problema de las presiones osmóticas con DMSO, todavía hay que regular el proceso de congelación, puesto que la formación y la agregación de cristales de hielo en la célula terminan por rasgar la membrana plasmática. Para superar esta dificultad, los químicos se han inspirado en anticongelantes naturales, como las glucoproteínas. Se han estudiado numerosos compuestos que limitan la formación de cristales de hielo, pero presentan el inconveniente de no ser ni biodegradables ni bioabsorbibles.

Los investigadores de la Universidad de Warwick utilizaron glucoproteínas anticongelantes para diseñar un nuevo anticongelante, menos tóxico y más fácil de aplicar. Basándose en el hecho de que la compleja interacción entre estas proteínas y los cristales de hielo limita el crecimiento de estos últimos, los científicos imitaron la estructura helicoidal de estas proteínas anticongelantes. Utilizaron la poliprolina, una cadena de un aminoácido (la prolina) que se va repite para formar una estructura helicoidal. Esta molécula tiene propiedades químicas interesantes: igual que las proteínas anticongelantes, posee una parte hidrófila, soluble en agua, y una parte hidrófoba en la superficie de la molécula. Esas zonas hidrófobas repelen las moléculas de agua que intentan fijarse sobre el hielo y hacen agregar los cristales. Al añadir una solución de poliprolina a un cultivo celular en el que ya se había incorporado dimetilsulfóxido, la supervivencia aumentó entre un 20 y un 50 por ciento con respecto a los cultivos que solo contenían dimetilsulfóxido.

Si de momento no parece posible prescindir del DMSO, cuya acción es complementaria a la de la poliprolina, la adición de esta podría mejorar y simplificar el procedimiento de congelación. Además, sería bastante fácil producir poliprolina para uso industrial; en cualquier caso, lo sería más que reproducir en el laboratorio las proteínas anticongelantes naturales.

Sean Bailly / Pour la Science

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Pour la Science.

Referencia: «Polyproline as a minimal antifreeze protein mimic that enhances the cryopreservation of cell monolayers». Ben Graham et al. en Angewandte Chemie, vol. 56, n.º 50, págs. 15941-15944, diciembre de 2017.