Uno de los espectáculos más fascinantes que se descubre al mirar una célula bajo el microscopio electrónico es la existencia de una fina membrana plasmática que rodea la célula y que alberga en su interior múltiples compartimentos también formados por membranas. Estos compartimentos transportan e intercambian sustancias químicas entre sí y con el medio externo. Son pequeñas burbujas de membrana dentro de la gran burbuja de membrana que es la célula. Las membranas son extremadamente útiles porque están hechas de moléculas (lípidos, similares al aceite) que son ideales para mantener separadas sustancias disueltas en agua. Algunos de estos compartimentos rodeados de membrana son las vesículas secretoras que almacenan sustancias químicas que la célula fabrica como los enzimas digestivos, las hormonas o los neurotransmisores.

En las células pancreáticas, las vesículas secretoras se fusionan con la membrana plasmática y liberan al exterior su carga de enzimas digestivos para que se digieran los alimentos. En las neuronas, las vesículas secretoras se llaman vesículas sinápticas y se fusionan con la membrana de los terminales nerviosos para liberar los neurotransmisores que median la comunicación entre neuronas. Pero las vesículas no son simples burbujas que se fusionan unas con otras sin ton ni son. Las vesículas se comportan como pequeñas máquinas "inteligentes” que se fusionan solamente en el sitio correcto y en el momento oportuno. Los componentes de esta maquinaria son proteínas específicas que se encuentran en la membrana de las vesículas y en la membrana plasmática. El premio Nobel de Fisiología o Medicina de este año ha sido otorgado a James Rothman (Universidad de Yale), Randy Scheckman (Universidad de Berkeley) y Thomas C. Südhof (Universidad de Stanford) por sus descubrimientos de los componentes de esta maquinaria molecular "inteligente”.

Esta maquinaria molecular se ha conservado durante la evolución de los seres vivos. Se observa una enorme similitud entre la maquinaria de organismos unicelulares sencillos y la maquinaria de células muy sofisticadas como las neuronas del cerebro humano. De hecho, los descubrimientos iniciales de Randy Schekman se llevaron a cabo en un organismo simple: la levadura que se utiliza para fabricar la cerveza. Schekman observó levaduras enfermas cuyas vesículas eran diferentes en número y tamaño a las vesículas de las levaduras sanas normales. Esas alteraciones eran hereditarias y se producían por cambios en los genes (DNA o material genético) encargados de instruir la construcción de las proteínas responsables de la fusión de las membranas de las vesículas. Sheckman identificó la secuencia de DNA de esos genes y así descubrió varias proteínas muy importantes. Por otro lado, Rothman utilizó extractos de células de mamífero y de cerebro para aislar y purificar proteínas implicadas en la fusión de membranas. De esta manera descubrió que tres de estas proteínas (una proteína en la vesícula y otras dos en la membrana plasmática) se asociaban entre sí y formaban lo que Rothman llamó el complejo SNARE necesario para la fusión de las membranas. Otros investigadores descubrieron que el complejo SNARE era atacado por las toxinas microbianas causantes del tétanos y el botulismo. Estos trastornos son intoxicaciones graves de las neuronas que producen alteraciones en la liberación de neurotransmisores que pueden llevar a la muerte.

Las neuronas generan impulsos eléctricos que viajan a través del axón neuronal. El axón se parece a un cable que en su extremo, el terminal nervioso, acumula las vesículas sinápticas cargadas de neurotransmisor. La llegada del impulso eléctrico hace que el terminal se inunde de una molécula muy simple, el ion calcio en millonésimas de segundo. Durante décadas se ha sabido que, por mecanismos desconocidos, el ion calcio dispara la fusión de las vesículas sinápticas con la membrana del terminal liberando los neurotransmisores. A mediados de los años ochenta, Thomas C. Südhof se planteó identificar todas las proteínas que forman parte de las vesículas sinápticas para entender cómo se produce la fusión de membranas y cómo el ión calcio dispara la fusión vesicular. Tanto de manera independiente, como en colaboraciones con Reinhard Jahn y con José Rizo, Südhof ha contribuido enormemente a explicar el funcionamiento de la maquinaria de la fusión vesicular. Una de las contribuciones clave de Südhof fue el descubrimiento de la proteína sinaptotagmina que detecta el calcio necesario para disparar la liberación de neurotransmisores. En estos experimentos se pudo comprender como la sinaptotagmina se une al calcio en un tubo de ensayo y posteriormente, mediante ingeniería genética en ratones, demostrar en neuronas vivas la liberación de neurotransmisor dependiente de la sinaptotagmina. En estos hallazgos participaron el bioquímico barcelonés José Rizo y el autor de este artículo.

En este enlace encontrarás información del portal oficial del premio Nobel (en inglés).

En las siguientes publicaciones, de la revista Nature Medicine, encontrarás artículos sobre la maquinaria del tráfico celular redactados por los galardonados (en inglés):

En este vídeo (en inglés) se explica la transmisión sináptica: