Dinámica y mecánica de mitocondrias : interacción con el citoesqueleto y transporte activo

• Autores: Fernández Casafuz, Agustina Belén
• Año de publicación: 2025
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Bruno, Luciana; De Rossi, María Cecilia
• Materia: MITOCONDRIAS; CITOESQUELETO; DINAMICA MITROCONDRIAL; TRANSPORTE INTRACELULAR; TECNICAS OPTOGENETICAS; MITOCHONDRIA; CYTOSKELETON; MITOCHONDRIAL DYNAMICS; INTRACELLULAR TRANSPORT; OPTOGENETIC TECHNIQUES
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Las mitocondrias son capaces de experimentar diversos procesos que pueden modificar su morfología, tamaño y distribución, en respuesta a distintos estímulos, ya sean de naturaleza química o física. Estudios recientes han demostrado que la interacción entre las mitocondrias y el citoesqueleto puede alterar la función mitocondrial; sin embargo, todavía se desconocen en gran medida los mecanismos subyacentes a este fenómeno. El objetivo general de esta Tesis es comprender las propiedades biomecánicas de estas organelas, y para ello nos propusimos caracterizar su organización y explorar en detalle sus cambios morfológicos a nivel celular desde una perspectiva biofísica. Empleando imágenes adquiridas por microscopía confocal y de superresolución Airyscan de las mitocondrias presentes en células melanóforas vivas de Xenopus laevis, en primer lugar caracterizamos su organización celular y propiedades mecánicas. Por ejemplo, estimamos la longitud de persistencia aparente de estas organelas, cuantificando por primera vez su plasticidad en el entorno celular, y también implementamos un método automático para clasificar las formas que adoptan. Además, exploramos cómo la integridad del citoesqueleto afecta la organización, morfología y movilidad de las mitocondrias, afectando selectivamente la red de microtúbulos, los filamentos de actina y los filamentos intermedios de vimentina. Con el objetivo de evaluar cómo dichas redes interactúan de manera mecánica con las organelas, desarrollamos una nueva herramienta cuantitativa que detecta impulsos mecánicos localizados actuando sobre las mismas. Nuestros resultados sugieren que las distintas redes del citoesqueleto interactúan con las mitocondrias de forma física, transmitiéndoles o "protegiéndolas" de impulsos mecánicos que moldean su morfología y movilidad. En una última instancia, estudiamos el transporte bidireccional de mitocondrias conducido por motores moleculares a lo largo de los microtúbulos, tanto a nivel de modelado numérico como experimental. Por un lado, desarrollamos un modelo unidimensional aplicable al trans-porte de organelas extensas y flexibles como las mitocondrias. Este modelo permite ampliar el conocimiento actual sobre la organización de los motores en su superficie, y podemos utilizar-lo para obtener una interpretación preliminar de las deformaciones experimentadas por estas organelas en células vivas. Finalmente, nos propusimos evaluar el rol de las fuerzas ejercidas por los motores moleculares en la dinámica de las mitocondrias mediante la utilización de técnicas optogenéticas que permiten reclutar selectivamente motores a la membrana externa de las organelas. La interacción entre las mitocondrias y el citoesqueleto es fundamental en la mecano-transducción de señales intracelulares y esta Tesis pretende contribuir a este campo emergente.
Mitochondria are capable of undergoing various processes that can modify their morphology, size and distribution in response to different stimuli, whether of chemical or physical origin. Recent studies have shown that the interaction between mitochondria and the cytoskeleton can alter mitochondrial function; however, the mechanisms underlying this phenomenon are still largely unknown. The overall objective of this Thesis is to understand the biomechanical properties of these organelles, and for this purpose, we set out to characterize their organization and explore in detail their morphological changes at the cellular level from a biophysical perspective. Using images acquired by confocal and super-resolution Airyscan microscopy of mitochondria present in living melanophore cells of Xenopus laevis, we first characterized their cellular organization and mechanical properties. For example, we estimated the apparent persistence length of these organelles, quantifying for the first time their plasticity in the cellular environment, and also implemented an automatic method to classify the shapes adopted by them. In addition, we explored how the integrity of the cytoskeleton affects the organization, morphology and motility of mitochondria, selectively affecting the microtubule network, actin filaments and vimentin intermediate filaments. In order to assess how these networks interact mechanically with the organelles, we developed a new quantitative tool that detects localized mechanical impulses acting on them. Our results suggest that the different cytoskeletal net-works interact with mitochondria in a physical way, transmitting or "protecting" them from mechanical impulses that shape their morphology and motility. Finally, we studied the bidirectional transport of mitochondria driven by molecular motors along microtubules, both numerically and experimentally. On the one hand, we developed a one-dimensional model applicable to the transport of elongated and flexible organelles such as mitochondria. This model allows us to extend the current knowledge about the organization of motors on their surface, and it can be used to obtain a preliminary interpretation of the deformations experienced by these organelles in living cells. On the other hand, we set out to evaluate the role of the forces exerted by molecular motors in mitochondrial dynamics by using optogenetic techniques that allow us to selectively recruit motors to the outer membrane of the organelles. The interaction between mitochondria and the cytoskeleton is fundamental in mechanotransduction, and this Thesis aims to contribute to this emerging field.
Fil: Fernández Casafuz, Agustina Belén. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.