Cuando consumimos alimentos ricos en azúcar, nuestro cuerpo reacciona de inmediato: las células, especialmente las del hígado, se activan para almacenar la glucosa sobrante. Sin embargo, lo que ocurre en esos minutos decisivos, dónde va exactamente esa glucosa, qué caminos recorre dentro de las células y qué estructuras se activan para procesarla y almacenarla, había sido un territorio poco explorado.

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Ahora, un equipo internacional de científicos, liderado por la Universidad de Vanderbilt, ha logrado trazar con altísima precisión el destino de las moléculas de glucosa en el cuerpo vivo. Gracias a una combinación inédita de microscopía electrónica, inteligencia artificial y técnicas de etiquetado isotópico, este estudio pionero revela una arquitectura energética interna más compleja y organizada de lo que se pensaba.

Los hallazgos, publicados en Nature Communications, “revelan el patrón espacial del flujo de glucosa 13C en hepatocitos in situ” y permiten ver, por primera vez, los contactos dinámicos entre mitocondrias, gotitas de grasa y el retículo endoplasmático.

Foto tomada del portal Vanderbilt University

Un salto cuántico en la comprensión del metabolismo celular

Hasta ahora, gran parte del conocimiento sobre cómo las células utilizan nutrientes como la glucosa provenía de análisis generales de tejidos. Era como intentar entender el tráfico de una ciudad solo con una imagen satelital, sin conocer lo que sucedía en cada cruce.

Este nuevo estudio da un salto radical al aplicar una combinación de tecnologías avanzadas:

• Etiquetado con isótopos de carbono: Utilizan carbono-13, un isótopo estable que permite rastrear la glucosa sin alterar la biología celular.
• Microscopía de masas por imagen (MIMS-EM): Una técnica potente que mide la cantidad de átomos de carbono-13 en estructuras subcelulares diminutas como mitocondrias o depósitos de glucógeno.
• Análisis con inteligencia artificial: Algoritmos entrenados que identifican y clasifican miles de orgánulos celulares basándose en su morfología y contenido isotópico.

Al aplicar glucosa marcada con carbono-13 a ratones vivos y observar su incorporación en los tejidos, los científicos pudieron reconstruir un mapa tridimensional que muestra qué orgánulos están activos en la absorción y transformación de glucosa, y cómo esta actividad cambia con el tiempo y el estado metabólico. Lo más impresionante es que no solo vieron qué metabolitos se generaban, sino dónde exactamente lo hacían, lo que llevó a detectar estructuras inesperadas: redes organizadas de orgánulos que colaboran para responder al exceso de glucosa.

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Hallazgos clave: Gotitas de grasa y mitocondrias revelan secretos

El estudio ha desvelado dos hallazgos particularmente llamativos:

1. El papel oculto de las gotitas de grasa: Se observó una sorprendente asociación física entre las gotas de grasa intracelulares (lipid droplets) y los cúmulos de glucógeno, la forma en que el cuerpo almacena glucosa. Imágenes de tomografía electrónica 3D mostraron que las moléculas recién sintetizadas de glucógeno aparecen rodeando directamente estas gotas, en estrecho contacto con el retículo endoplasmático. Esto sugiere que las gotas de grasa no solo almacenan lípidos, sino que podrían actuar como una plataforma para iniciar la síntesis de glucógeno. Este hallazgo cambia la forma de entender cómo el hígado regula el almacenamiento de energía, mostrando una estructura integrada y altamente organizada de lo que antes se veían como compartimentos independientes.
2. La conexión dinámica entre mitocondrias y retículo endoplasmático: Otro elemento crucial es cómo cambian los contactos entre las mitocondrias (las “centrales energéticas” de la célula) y el retículo endoplasmático (una red de membranas clave para la síntesis de proteínas y lípidos) cuando varía la cantidad de glucosa en sangre. Estas conexiones son vitales para el intercambio de señales y metabolitos. El estudio reveló que en condiciones de ayuno, estos contactos son más numerosos y estables, pero cuando la glucosa entra en la célula, los puntos de contacto disminuyen rápidamente. Es decir, la célula reorganiza sus redes internas en función de la disponibilidad de energía. Este descubrimiento podría ayudar a entender por qué ciertos fallos en estas conexiones están implicados en enfermedades como la diabetes o trastornos neurodegenerativos.

Implicaciones para la salud humana y el futuro de la investigación

Más allá del avance tecnológico, los resultados de este estudio ofrecen una base visual y cuantitativa invaluable para entender cómo se organiza el metabolismo en condiciones normales y en enfermedades.

• Diabetes tipo 2: Saber con precisión dónde y cuándo se forma el glucógeno podría ayudar a diseñar tratamientos más precisos para personas con diabetes tipo 2, en quienes este proceso está alterado.
• Trastornos de almacenamiento energético: Se abre un nuevo campo de estudio para enfermedades hepáticas o musculares relacionadas con el almacenamiento de energía. Al entender cómo se agrupan los orgánulos y qué señales provocan su reorganización, será posible intervenir en puntos clave del proceso metabólico sin necesidad de alterar toda la fisiología del cuerpo.

Aunque la técnica es costosa y compleja, y no está disponible en todos los laboratorios, marca un camino. Este enfoque establece un marco multimodal para estudiar las múltiples escalas del metabolismo y el paisaje espacial de las células y el flujo de nutrientes in situ.

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Lo que aún queda por explorar

Aunque este trabajo se centra en el hígado de ratones, los investigadores ya han encontrado estructuras similares en células humanas y en otros organismos, como el nematodo C. elegans, lo que sugiere que este tipo de organización celular es común y está altamente conservada en la evolución.

El siguiente paso será investigar cómo cambian estas redes celulares en distintas condiciones fisiológicas o patológicas, y si se pueden manipular para restaurar un metabolismo sano. La posibilidad de ver en tiempo real cómo fluye la energía dentro de las células es una herramienta poderosa que, gracias a este estudio, ya no es solo una promesa, sino una realidad científica que abre puertas a futuros tratamientos y comprensiones del cuerpo humano.