Magnetitis en los dientes: secuenciación de transcriptomos del tejido de la cáscara de molusco radula



Seg√ļn las estad√≠sticas, los m√©dicos m√°s terribles son los dentistas. Estos seguidores de un taladro y gas de la risa est√°n listos para hacer cualquier cosa para hacerse cuentas de sus dientes. Al menos eso es lo que piensan las personas con dentofobia. De hecho, el trabajo de los dentistas es importante y necesario. Pero quien no necesita un dentista son quitones, moluscos de concha. Sus dientes son tan fuertes que la frase "roer el granito de la ciencia" adquiere un significado literal. Los dientes en la t√ļnica radula est√°n cubiertos con mineral de magnetita, que estos habitantes marinos producen de forma independiente. Entonces, los cient√≠ficos decidieron estudiar este proceso con m√°s detalle con la esperanza de obtener nueva informaci√≥n que pueda ayudar en la creaci√≥n de nuevos materiales ultrarresistentes. C√≥mo los cient√≠ficos realizaron su investigaci√≥n sobre las "sonrisas" de las t√ļnicas, lo que lograron descubrir y c√≥mo sus descubrimientos pueden ayudar a las personas: las respuestas a estas preguntas se encuentran en el informe del grupo de investigaci√≥n. Vamos

Malacología

Los quitones o moluscos de concha son una clase de moluscos marinos cubiertos de concha. Aqu√≠ hay tal tautolog√≠a. En este momento, hay aproximadamente 1,500 especies que viven en una amplia variedad de regiones geogr√°ficas y capas de agua (desde aguas poco profundas hasta profundidades de 2500 m). La primera caracter√≠stica que llama la atenci√≥n es su caparaz√≥n. Consiste en 8 placas interconectadas de manera bastante m√≥vil, lo que permite que las t√ļnicas colapsen en una bola en caso de peligro.


Chiton de la especie Cryptochiton stelleri.

Si decimos que la genealog√≠a de las t√ļnicas es muy antigua, esto ser√° un eufemismo, porque algunos restos de los antepasados ‚Äč‚Äčde las t√ļnicas (f√≥siles) son de unos 400 millones de a√Īos. Al mismo tiempo, estos habitantes marinos eran solitarios: las primeras descripciones de t√ļnicas se remontan a 1758 despu√©s de la autor√≠a del cient√≠fico sueco Karl Linnaeus.


T√ļnica de radula.

La pesadilla de cualquier dentista es una boca de t√ļnica, equipada con una r√°dula con varias hileras de dientes de 17 piezas cada una. Una vez m√°s, decimos gracias a la evoluci√≥n que estas criaturas crecen hasta un m√°ximo de 35 cm y se alimentan de algas microsc√≥picas, y no de humanos. Cada uno de los dientes est√° cubierto con magnetita, que los ayuda a raspar sus alimentos de cualquier superficie.

Y esta es precisamente esta caracter√≠stica que interes√≥ a los cient√≠ficos. ¬ŅC√≥mo producen los chitones magnetita, convirtiendo sus dientes en uno de los m√°s fuertes de la naturaleza?


Magnetita

La magnetita (Fe 3 O 4 / √≥xido de hierro), como se puede adivinar por el nombre, tiene fuertes propiedades magn√©ticas, adem√°s, es un semiconductor. No puede llamar a este mineral raro, pero una cosa es extraerlo en algunas monta√Īas y otra muy distinta desarrollarlo con su propio cuerpo para fortalecer sus dientes.

Entonces, nos familiarizamos un poco con el protagonista de este estudio y su "superpotencia". Ahora es el momento de profundizar en el estudio en sí y sus resultados.

Base de estudio

Los cient√≠ficos han sabido durante mucho tiempo que algunos organismos pueden producir magnetita. Entre estos organismos hay bacterias, abejas, salmones e incluso palomas. Sin embargo, desde el descubrimiento de tal caracter√≠stica en los quitones en 1962, el mecanismo de producci√≥n de magnetita no se ha descrito completamente. Los cient√≠ficos se√Īalan que el inter√©s en los quitones ha aumentado muchas veces despu√©s de que la magnetita producida por Cryptochiton stelleri (un tipo de quitones) fuera reconocida como uno de los biominerales m√°s duraderos.

Otra caracter√≠stica importante de los quitones es el reemplazo de varios dientes desgastados por otros nuevos formados dentro de la r√°dula, lo que nos permite analizar todo el proceso de mineralizaci√≥n. Las primeras 8-12 hileras de dientes de C. stelleri son transparentes y no tienen magnetita, pero consisten m√°s en őĪ-quitina y prote√≠nas. Despu√©s de 2-5 hileras de dientes se oscurecen a un color marr√≥n rojizo, que corresponde visualmente a la mineralizaci√≥n parcial por medio de √≥xido de hierro nanocristalino amorfo (ferrihidrita). Y las hileras m√°s recientes de dientes ya tienen pronunciadas protuberancias negras, lo que indica la finalizaci√≥n del proceso de mineralizaci√≥n, es decir, la transici√≥n de la ferrihidrita a la magnetita.

Un matiz importante: la superficie de la r√°dula y la base de los dientes consisten principalmente en őĪ-quitina, pero la punta de los dientes ya est√° formada por un mineral. Y esto significa que hay una serie de prote√≠nas que determinan los detalles de la formaci√≥n de √≥xido de hierro y la cobertura adicional de esta √°rea en particular con magnetita.

Para estudiar estos procesos, los científicos llevaron a cabo una serie de observaciones que permitieron recrear con una transcripción de la tádula de tejido del quitón C. stelleri de ambas áreas, con y sin mineralización.

Resultados


Imagen No. 1

Los dientes del molusco se forman dentro de los tejidos de la rádula, donde están rodeados por células epiteliales ( 1a ). Por lo tanto, las proteínas necesarias para su formación se producen en las mismas células.

Los científicos aislaron el ARN de los tejidos de la rádula para construir una serie de secuencias expresadas en estos tejidos (transcripción).

Los tejidos de tres sitios ( 1a ) sirvieron como muestras para el aislamiento de ARN: las primeras 8-12 filas de dientes (sin mineralizaci√≥n), 2‚Äď5 filas (mineralizaci√≥n parcial) y 5‚Äď6 filas (mineralizaci√≥n completa). A continuaci√≥n, se llev√≥ a cabo la secuenciaci√≥n de ARN, es decir, la determinaci√≥n de la estructura primaria de ARN. Los datos de sitios mineralizados y no mineralizados se recopilaron en 187980 transcripciones. La longitud promedio de una transcripci√≥n fue de 705 pb (pares de bases / pares de nucle√≥tidos), y el m√°ximo alcanz√≥ 16738 pb.

La figura 1b muestra esquemáticamente un diente de quitón: una membrana de rádula en la base, luego la parte principal y el ápice afilado del diente (parte externa).


Tabla de resultados de secuenciación de ARN C. stelleri.

Entre las 20 transcripciones más expresadas en la región dental no mineralizada, cinco transcripciones son isoformas de la proteína Cs17717 | c0_g1 . También se revelaron 2 transcripciones de proteínas similares a la peritrofina - Cs79475 | c0_g1_i1 y Cs70642 | c0_g2_i1 que tienen un dominio de unión a quitina. También es importante tener en cuenta que Cs25220 | c1_g1_i1 es similar a la proteína Pif, que está asociada con la biomineralización del carbonato de calcio en los moluscos. Por lo tanto, las proteínas anteriores tienen un dominio de unión a quitina tipo 2.

Se observ√≥ una imagen diferente en las veinte transcripciones expresadas en la regi√≥n mineralizada de los dientes. El 35% de ellos eran enzimas mitocondriales de la cadena respiratoria. Tambi√©n se detect√≥ la prote√≠na Cs12250 | c0_g1_i1 implicada en la uni√≥n de quitina. Curiosamente, esta prote√≠na se encontr√≥ previamente en el pico del calamar. Alrededor del 25% de las transcripciones son isoformas de la prote√≠na Cs22243 | c0_g7 , cuyas funciones a√ļn no se han estudiado.

Los científicos han identificado varias proteínas importantes en su opinión involucradas en el proceso de mineralización. Pero consideran que la ferritina es la más importante, que es necesaria para el almacenamiento y la transferencia de hierro. La ferritina forma una célula proteica, una especie de trampa en la que se colocan hasta 4.500 átomos de hierro en forma de un mineral a base de óxido de hierro.


Tabla de todas las proteínas asociadas con la mineralización dental C. stelleri.

Y dado que se encontraron genes de ferritina en los tejidos de rádula de los moluscos probados, los científicos sugirieron audazmente que estaba involucrado en el proceso de mineralización de los dientes.

Los científicos analizaron 134.993 transcripciones en busca de signos de homología (similitud genética) con genes de ferritina. Como resultado, se aislaron 4 secuencias de transcripción de aminoácidos.

Un análisis de los cuatro mostró que Cs90734 | c0_g1_i1 tiene homología con ferritinas secretadas, mientras que los tres restantes ( Cs22563 | c0_g1_i1 , Cs75144 | c0_g1_i1 y Cs17042 | c0_g1_i1 ) son más similares a las ferritinas citoplasmáticas.

Los cient√≠ficos tambi√©n se√Īalan que la ferritina Cs90734 | c0_g1_i1 , a diferencia de sus "colegas", tiene algunas propiedades estructurales inherentes a las ferritinas de tipo secretado, y no citoplasm√°tica.

En primer lugar, tiene una inserci√≥n de aproximadamente 40 residuos de amino√°cidos (amino√°cidos fuera de la secuencia de p√©ptidos). En segundo lugar, los residuos de uni√≥n a metales son reemplazados por otros amino√°cidos. Lo √ļnico que Cs90734 | c0_g1_i1 no tiene de las ferritinas de tipo secretado son las secuencias de se√Īal.

La tasa de expresión más alta fue para una ferritina específica: Cs75144 | c0_g1_i1 , que fue, lo que es interesante, más pronunciada en la región no mineralizada de los dientes. Esto indica su importancia en el proceso de mineralización.

Se identificaron un total de 31 proteínas de la base del diente y la membrana de la rádula. De estos, 22 fueron identificados durante la primera etapa del análisis mediante espectrometría de masas en tándem. Esta técnica también permitió comprender que las secuencias de péptidos de las áreas mineralizadas del diente se correlacionan con 232 transcripciones, y las secuencias de péptidos de la base y la membrana del diente con 114 transcripciones.

Se identificaron 77 proteínas del área de las puntas de los dientes (61 durante el primer análisis y 54 durante el segundo), entre las cuales se encuentran las siguientes: mioglobina, actina, factor de elongación 1 alfa y arginina quinasa ( Cs77196 | c0_g2_i1 , Cs47470 | c2_g3_i1 , Cs24354 | c0_ g1_i Cs82664 | c0_g1_i1 , respectivamente). Todos ellos están representados por las veinte transcripciones más expresadas en el área no mineralizada de los dientes.

Durante la b√ļsqueda de los responsables de la mineralizaci√≥n de prote√≠nas, se us√≥ el software Mascot, que trabaj√≥ sobre la base de datos de espectrometr√≠a de masas y determin√≥ las prote√≠nas mediante secuencias pept√≠dicas. Entre las prote√≠nas estudiadas, se prest√≥ especial atenci√≥n a la prote√≠na Cs68435 | c0_g1_i1 previamente no identificada, que no ten√≠a caracter√≠sticas comunes con las secuencias de otras prote√≠nas. Los cient√≠ficos le dieron el nombre de RTMP1 (prote√≠na matriz de los dientes radiales 1).

La secuencia peptídica de la proteína Cs68435 | c0_g1_i1 contiene residuos de glicina y serina. Dado que el cinco primo (5 ') de esta proteína se acortó, la longitud total de la secuencia se determinó usando 5'-RACE.
RACE (amplificación rápida de extremos de ADNc) es un método para producir regiones terminales de ADNc bicatenarias homólogas a los extremos 3 'o 5' de moléculas de ARNm específicas.

La secuencia de aminoácidos completa de la nueva proteína RTMP1.

La imagen general de la secuencia es la siguiente: sitios enriquecidos en glicina y serina (GS), luego sitios con triptófano y fenilalanina (WF) y sitios ricos en histidina (H).

Los cient√≠ficos tambi√©n encontraron que la alineaci√≥n de las secuencias WF de los dominios de uni√≥n a quitina RTMP1 de cuatro quitinasas bacterianas (enzimas que activan la degradaci√≥n de quitina) mostr√≥ que tres de cada cinco residuos putativos que interact√ļan con quitina en dominios de uni√≥n a quitina tambi√©n est√°n presentes en RTMP1.

Los cient√≠ficos han determinado el perfil de expresi√≥n de las transcripciones asociadas con las prote√≠nas de mineralizaci√≥n en diferentes per√≠odos de mineralizaci√≥n. El nivel de expresi√≥n de algunas transcripciones (por ejemplo, prote√≠nas similares a neuroglobina, super√≥xido dismutasa, peroxirredoxina-6, etc.) difiere en aproximadamente 4 veces en √°reas dentales con y sin mineralizaci√≥n. El nivel de expresi√≥n var√≠a seg√ļn el curso del proceso de mineralizaci√≥n. En otras palabras, cuanto m√°s cerca del sitio de mineralizaci√≥n, menor es la expresi√≥n de algunas transcripciones y mayor es la expresi√≥n de otras (por ejemplo, la prote√≠na RTMP1).

Para un conocimiento más detallado del estudio, le recomiendo que examine el informe del grupo de investigación y los materiales adicionales .

Epílogo

Este estudio fue el primero en demostrar una transcripción de tejido de radón quitón. Los científicos pudieron descubrir que las transcripciones más expresadas en áreas no mineralizadas contienen genes de ferritina y en minerales, enzimas de la cadena respiratoria mitocondrial.

Los investigadores tambi√©n aislaron 22 prote√≠nas en el √°rea mineralizada, entre las cuales se descubri√≥ una completamente nueva: RTMP1. Son estas prote√≠nas las que se probar√°n en estudios posteriores de la mineralizaci√≥n de √≥xido de hierro en t√ļnicas.

Este trabajo es el primer paso para comprender c√≥mo se forman los minerales en los sistemas biol√≥gicos. Tales casos no son infrecuentes, pero se han estudiado extremadamente superficialmente en este momento. En el futuro, dicho conocimiento puede ayudar a crear nuevos m√©todos para cultivar ciertos materiales, dot√°ndolos de propiedades muy √ļtiles (resistencia, conductividad el√©ctrica, magnetizaci√≥n, etc.).

Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una excelente semana laboral, muchachos.

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Source: https://habr.com/ru/post/438956/


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