¿Cómo medir la temperatura de las células?

Ayer visité el Túnel de la Ciencia en la Universidad César Vallejo. En uno de los módulos había una cámara que detectaba la radiación infrarroja, es decir, una cámara con la capacidad de “ver” la temperatura de cualquier cosa que tuviera en frente. No desaproveché la oportunidad y me tomé una foto.

Selfie tomado a través de una cámara infrarroja.

Como pueden ver, la temperatura no es homogénea debido al contacto de mi piel con el ambiente. Hay zonas como la punta de mi nariz cuya temperatura es menor a los 37 ºC que se consideran normales para un ser humano. El cabello, ni que decir. Su temperatura es casi similar a la del entorno. Sin embargo, si pudiéramos ver la temperatura del interior de nuestro cuerpo, esta sería mucho más homogénea. Casi todo de color blanco.

Los seres humanos —al igual que el resto de mamíferos y las aves— tenemos la capacidad de controlar nuestra temperatura corporal. Somos endotermos. Pero, ¿dónde se genera todo este calor? La respuesta obvia es en las células. ¿Cómo lo hacen? Disipando la energía generada por la degradación de los alimentos (metabolismo).

Esto me lleva a hacer otra pregunta: ¿cuál es la temperatura dentro de nuestras 37 billones de células? En este caso, la respuesta obvia sería 37 ºC, sino nuestra temperatura corporal sería distinta. Sin embargo, la respuesta no es tan sencilla como parece.

La célula es una máquina; como un automóvil. La membrana celular sería el chasis. La glucosa —que proviene de los alimentos— sería el combustible. Y, las mitocondrias, serían el motor. Incluso, se puede regular la temperatura interna tal como lo hace el aire acondicionado. Sin embargo, todos se habrán percatado que el motor, que es donde se genera la energía que permite el funcionamiento del auto, está sumamente caliente. Entonces, las mitocondrías, que cumplen la misma función, ¿también lo estarán?

Interesante pregunta. Pero ¿cómo medimos la temperatura de una mitocondria, cuyo diámetro es menor a una micra (<0,001 mm)? Termómetros de ese tamaño, no existen. ¿Qué tal una cámara térmica, como la del Túnel de la Ciencia, acoplada a un microscopio? Tampoco sirve. La longitud de onda de la radiación infrarroja mide varias micras, por lo que su resolución no serviría para “ver” la temperatura de cosas tan pequeñas como las mitocondrias.

En el 2009, un grupo de investigadores japoneses hallaron la forma de hacerlo. El método consistía en usar proteínas fluorescentes cuya intensidad variaba de acuerdo con la temperatura.

Determinación de la temperatura al interior de la célula usando proteínas fluorescentes. Fuente: Gota, et al. (2009).

Con el paso de los años, la metodología fue perfeccionada gracias a pequeñas mutaciones en las proteínas fluorescentes con el fin de optimizarlas. Por ejemplo, la proteína Sirius, una variante de la proteína fluorescente verde (GFP) producida por la medusa Aequorea victoria, reduce en un 65% su intensidad de fluorescencia cuando la temperatura del entorno se eleva de 20 a 50 ºC. Sin embargo, el problema con esta técnica es que la cantidad de proteína producida por la célula (su nivel de expresión), puede afectar las mediciones. Es decir, el hecho que haya más o menos fluorescencia no indica que la temperatura sea mayor o menor, sino que hay una mayor o menor concentración de la proteína indicadora.

Para solucionar este inconveniente, otro grupo de investigadores japoneses desarrolló un método que se basa en el uso de dos proteínas fluorescentes: una de alta sensibilidad a los cambios de temperatura (Sirius) y otra de baja sensibilidad (mT-Sapphire). La temperatura se determina en función a la proporción de la intensidad de fluorescencia entre una y otra. De esta manera, los niveles de expresión de las proteínas fluorescentes ya no afectan la medición de la temperatura, siempre y cuando, ambas estén presentes en la misma cantidad.

Intensidad de la fluorescencia emitida por Sirius (A) y mT-Sapphire (B) a diferentes temperaturas. En (D) se muestra la curva calibrada de temperatura en función a la proporción de intensidad de fluorescencia de Sirius y mT-Sapphire. Fuente: Nakano, et al. (2017).

Gracias a esta técnica, se logró determinar que la temperatura de las mitocondrias es entre 6 y 9 °C más elevada que del resto del citosol. En otras palabras, las docenas de mitocondrias que hay dentro de las células trabajan a una temperatura superior a los 43°C cuando están produciendo energía. Incluso, de acuerdo a un estudio más reciente, la temperatura podría alcanzar los 50 °C. Asimismo, la temperatura dentro del núcleo celular es entre 2 y 3 °C mayor a la de su entorno citoplasmático.

Medición de la temperatura dentro de células HeLa. Los puntos rojos (más calientes) corresponden a las mitocondrias. El núcleo también presenta una temperatura ligeramente más alta (expresado de color verde intenso) con relación al citoplasma. Fuente: Nakano, et al. (2017).

Las implicancias de estos trabajos en la biología celular son grandes. Hasta ahora no se consideraba a la temperatura dentro de cada compartimento de la célula como un factor importante en los procesos bioquímicos y fisiológicos. Se trabajaba asumiendo que todo funcionaba a una temperatura constante de 37 °C. Pero vemos que esto no es así. El calor influye en la estructura tridimensional de las proteínas y en la velocidad de las reacciones enzimáticas, por lo que su efecto sobre el funcionamiento de las células debe ser muy significativo.

Referencia:

Nakano, M., Arai, Y., Kotera, I., Okabe, K., Kamei, Y., & Nagai, T. (2017). Genetically encoded ratiometric fluorescent thermometer with wide range and rapid response PLOS ONE, 12 (2) DOI: 10.1371/journal.pone.0172344