Seguro que recuerdan alguna película en la que aparecen insectos gigantescos. Por ejemplo, la espléndida La humanidad en peligro (1954) nos muestra cómo las pruebas nucleares en el desierto han provocado mutaciones en las hormigas, que se convierten en descomunales amenazas.

Este escenario no es demasiado realista, ya que el tamaño de los insectos está constreñido por la forma en que respiran. En los libros de texto se nos explica que los insectos tienen respiración traqueal, mediante un sistema de finísimos tubos huecos que llevan el aire a todos los rincones de su cuerpo. Esto impone un tamaño limitado por los problemas de la difusión del aire dentro de las tráqueas. Curiosamente, el aire rico en oxígeno del periodo Carbonífero permitió que los insectos alcanzaran los mayores tamaños de su historia. La libélula Meganeura, por ejemplo, llegó a los 70 cm de envergadura.

Un reciente descubrimiento, publicado en la revista Nature por un equipo surcoreano, ha revelado que, además de las tráqueas, existen células sanguíneas en la larva de Drosophila capaces de transportar oxígeno mediante un mecanismo sorprendente. Se trata de las células cristal, así llamadas por contener estructuras cristalinas en su interior.

Las células cristal son uno de los tres tipos de hemocitos o células sanguíneas de Drosophila, y representan alrededor del 5% del total. Los más abundantes son los plasmatocitos (95%) una especie de células fagociticas, y el tercer tipo son los lamelocitos que sólo aparecen durante la activación del sistema inmune.

Los cristales que dan nombre a las células cristal están formados por una proteína que contiene cobre, la profenoloxidasa-2 (PPO2). Esta enzima se encarga de oxidar fenoles y formar polímeros que engloban microorganismos patógenos y contribuyen a la cicatrización de heridas, la función principal que se atribuía a las células cristal hasta ahora (Figura 1). Como los polímeros tienen color oscuro, esta reacción defensiva se conoce como melanización. De hecho, nuestra síntesis de melanina responde a un mecanismo muy similar.

El grupo surcoreano utilizó tres cepas de larvas de moscas mutantes, carentes de células cristal, con ausencia de PPO2 o bien con una PPO2 incapaz de unirse al cobre en su sitio activo. Todas estas larvas muestran alta mortalidad en condiciones de laboratorio y un aumento en el número de ramas terminales de las tráqueas. Este incremento también se produce en larvas normales cultivadas en hipoxia, por lo que se considera una respuesta a la falta de oxígeno.

Estos defectos revierten si se aumenta la concentración de oxígeno en el aire hasta el 60%. De forma más sorprendente, también se rescatan los defectos de las larvas mutantes si se fuerza en las células cristal la expresión de la hemocianina del cangrejo de herradura. Recordemos que esta proteína transporta oxígeno en muchos crustáceos y algunos quelicerados, dando a su sangre color azul debido a su contenido en cobre. Todos estos resultados indican que la PPO2 contenida en las células cristal es indispensable para mantener los niveles de oxígeno en las larvas de las moscas.

Un transportador de oxígeno debe ser capaz de combinarse con esta molécula de forma reversible. En el caso de la hemoglobina o la hemocianina, la fijación se produce en el sitio activo que contiene hierro y cobre, respectivamente. Lo que reveló el estudio de los investigadores surcoreanos es que la combinación reversible de PPO2 con el oxígeno implicaba un cambio de fase en la organización de la proteína (Figura 1). Cuando la célula cristal está próxima a las ramas terminales de las tráqueas, su PPO2 en forma cristalina fija oxígeno. Para ello el pH del interior celular debe ser neutro. Luego, la célula cristal viaja por la cavidad circulatoria y alcanza tejidos alejados de las tráqueas. Allí, el pH citoplasmático disminuye por acción de la enzima anhidrasa carbónica, la proteína pasa de la forma cristalina a una variante soluble, y el oxígeno se libera. La célula cristal regresa a las ramas terminales de las tráqueas y el ciclo comienza de nuevo.

Este proceso ha explicado, por fin, cómo es posible el funcionamiento de un órgano larvario conocido como cuerpo graso, que tiene funciones detoxificadoras y de almacenamiento de lípidos. Su carencia de tráqueas planteaba la cuestión de cómo se satisfacía su demanda metabólica de oxígeno. Ahora sabemos que las células cristal se encargan de transportar el oxígeno desde las tráqueas hasta las proximidades del cuerpo graso.

El sorprendente descubrimiento de células transportadoras de oxígeno en la larva de Drosophila como complemento de la respiración traqueal plantea apasionantes preguntas. ¿Sucede esto en otros insectos, o en insectos adultos? ¿Interviene este tipo de mecanismo en el altísimo consumo de oxígeno que demanda el vuelo de los insectos?

Referencias:

Luschnig, S. (2024) Flies use blood cells to take a deep breath. Nature. doi: 10.1038/d41586-024-01649-6.

Shin, M., Chang, E., Lee, D., et al. (2024) Drosophila immune cells transport oxygen through PPO2 protein phase transition. Nature. doi: 10.1038/s41586-024-07583-x.

Sobre el autor: Ramón Muñoz-Chápuli Oriol es Catedrático de Biología Animal (jubilado) de la Universidad de Málaga