Documental "Dentro de la célula / Inside the cell"

Summary

Este documental explora la complejidad de las células, desde su formación hasta su papel en el organismo. Cubre temas como la estructura de las células, su división, la energía obtenida de la glucosa y su conversión en ATP, y la importancia de la diversificación celular en organismos multicelulares. Aborda también la comunicación celular, la defensa del organismo frente a patógenos, y la muerte celular como proceso natural. Además, destaca la importancia de la investigación para entender y tratar enfermedades, y la colaboración de diversas disciplinas científicas en el avance de la biología celular.

Takeaways

• 🌊 La vida en la Tierra depende del agua, que representa el 70% de cada célula y ofreció el medio para la formación de las primeras células hace 4.5 mil millones de años.
• 📦 Los lípidos son esenciales para la formación de las células, ya que pueden formar membranas que actúan como barrera entre la célula y el exterior, y también forman estructuras internas llamadas organelos.
• 🧬 Las ácidos nucleicos constituyen nuestro material genético y tienen la capacidad única de auto-reproducirse, lo cual es una propiedad distintiva de la vida.
• 🧬📚 La información genética está codificada en el ADN, que se encuentra en el núcleo y es esencial para construir y hacer funcionar una célula.
• 🌱 La división celular es esencial para el crecimiento y el reemplazo de células en el cuerpo humano, con aproximadamente 300 millones de células reemplazadas al minuto.
• 🛡️ Los puntos de control en la división celular aseguran una función correcta y equilibra la acción de genes que promueven o inhiben el crecimiento y la división celular.
• 🚨 El estudio de las células sanguíneas y el cáncer ha ayudado a identificar nuevas alteraciones que mejoran el diagnóstico y la pronoóstico de enfermedades como las leucemias y linfomas.
• 🔋 La energía de las células proviene principalmente del glucógeno, que se transforma en ATP a través de reacciones en las que los mitocondrios juegan un papel crucial.
• 🔬 La diversificación de los tipos de células en el cuerpo humano ha permitido una alta complejidad, con más de 200 tipos de células especializadas en funciones específicas.
• 🌱🧬 Aunque todas las células en nuestro organismo tienen el mismo catálogo genético, la especialización en diferentes funciones hace que algunos genes estén activos y otros inactivos.
• 💊 La investigación en células y modelos animales busca cambios en la comunicación celular en enfermedades cardiovasculares o metabólicas relacionadas con la obesidad y la diabetes, y en ciertos tumores.

Q & A

¿De qué están hechos las células?

Las células están compuestas principalmente de agua, que representa el 70% de su composición, y lipidos que forman membranas y estructuras internas llamadas orgánulos, como el núcleo o las mitochondrias.

¿Por qué son importantes las membranas celulares?

Las membranas celulares actúan como barrera entre la célula y el exterior, permitiendo el intercambio selectivo de moléculas y manteniendo la integridad de la célula.

¿Qué son las enfermedades asociadas a los lípidos y cómo afectan a la salud?

Las enfermedades asociadas a los lípidos, como el síndrome de Niemann Pick, pueden causar discapacidad mental y muerte temprana debido a alteraciones en los niveles de lípidos que afectan las funciones celulares.

¿Cuál es la función de las proteínas en la célula?

Las proteínas desempeñan la mayoría de las funciones biológicas de la célula, incluyendo la realización de reacciones químicas, el transporte de sustancias y la estructura de la célula.

¿Cómo se replica el material genético de una célula?

El material genético, compuesto principalmente de ADN, se replica mediante la acción de la enzima ADN polisomerase, que utiliza cada cadena del helix doble como plantilla para crear una copia idéntica.

¿Qué es la apoptosis y qué función cumple en el organismo?

La apoptosis es un proceso de muerte celular controlado que permite la eliminación de células dañadas o en exceso, manteniendo el equilibrio y la homeostasis en el organismo.

¿Cómo se divide una célula y qué importancia tienen los puntos de control en este proceso?

La división celular implica el crecimiento y la duplicación de estructuras y componentes, incluyendo el ADN. Los puntos de control aseguran que el proceso se realice correctamente, comprobar que el ADN se ha copiado adecuadamente y que las cromosomas se distribuyan equitativamente entre las células hijas.

¿Qué son las células madre y cómo contribuyen a la regeneración y al cáncer?

Las células madre son undiferenciadas y se dividen de manera asimétrica, dando lugar a una célula madre y otra que se diferencia. En el cáncer, las células madre tumorales pueden renovar el tumor y hacerlo resistente a la terapia.

¿Cómo se transforma la glucosa en energía para las células?

La glucosa, a través de reacciones como la glucólisis y la oxidación aérea en las mitochondrias, se convierte en ATP, la moneda energética de la célula.

¿Qué es el lenguaje celular y cómo se comunican las células entre sí?

El lenguaje celular puede ser químico, a través de moléculas mensajeras que interactúan con receptores en la membrana celular, o eléctrico, como en los impulsos nerviosos que se transmiten entre las células del sistema nervioso.

¿Cómo defienden las células el organismo de los patógenos?

Las células defienden el organismo mediante el sistema inmunológico, que reconoce y elimina células infectadas, y a través de la producción de moléculas antimicrobianas y la activación de mecanismos de respuesta inmunitaria.

¿Por qué es importante el estudio de la presentación de antígenos en el sistema inmunológico?

El estudio de la presentación de antígenos es fundamental para comprender cómo el sistema inmunológico reconoce y responde a infecciones, y es la base para el desarrollo de vacunas.

¿Cómo se produce la diversificación de tipos celulares en un organismo multicelular?

La diversificación de tipos celulares ocurre a través del proceso de especialización, donde las células adquieren funciones específicas y se diferencian para formar los más de 200 tipos celulares distintos en seres humanos.

Outlines

00:00

🧬 La Composición y Función de las Células

El primer párrafo introduce las bases de la vida celular, destacando el papel del agua y los lípidos en la formación y aislamiento de las células. Se menciona la importancia de las membranas y los orgánulos, como el núcleo y las mitocondrias, en la estructura y función celular. Además, se explora cómo las alteraciones en los niveles de lípidos pueden causar enfermedades graves, como el síndrome de Niemann Pick. La sección también cubre la importancia de otras moléculas, como carbohidratos, vitaminas, iones, proteínas y ácidos nucleicos, con un enfoque en la auto-reproducción de los genes y su traducción en proteínas a través de los ribosomas. Finalmente, se presenta la investigación del laboratorio en la regulación de la síntesis de proteínas y la importancia de los ribosomas en la evolución de la vida en la Tierra.

05:01

🌱 Proceso de División Celular y su Control

Este párrafo se centra en el proceso de división celular, desde el crecimiento y la duplicación de estructuras hasta la replicación de ADN y su importancia en la creación de células hijas con información genética idéntica. Se discute la importancia de la corrección de errores durante la replicación del ADN y se mencionan los mecanismos de reparación. Además, se describe cómo el ADN se compacta en cromosomas y se distribuye equitativamente entre las células hijas. Se incluyen los puntos de control de la división celular y su regulación por genas como protooncogenes y supressor genéticos, así como la investigación del laboratorio en tumores sanguíneos y su impacto en el desarrollo de nuevos tratamientos.

10:04

🚀 Energía y Metabolismo en las Células

El tercer párrafo explora cómo las células transforman la comida en energía, enfocándose en el papel central de la glucosa y su oxidación completa en las mitocondrias. Se describen los transportadores mitocondriales y su función crucial en la entrada de compuestos a las mitocondrias. Además, se explica cómo la cadena de transporte de electrones y la síntesis de ATP aprovechan el gradiente de protones para producir energía. Se discuten las conexiones entre las mitocondrias y diversas patologías, incluyendo el cáncer y las enfermedades neurodegenerativas, y cómo el laboratorio investiga en el papel de las mitocondrias en estas afecciones.

15:04

🌿 La Diversificación de las Células en Organismos Multicelulares

Este segmento examina la evolución de la vida multicelular y la especialización de las células para realizar funciones específicas. Se describe cómo la competencia entre formas de vida llevó a la formación de comunidades complejas y cómo algunas células perdieron su identidad para dar lugar a los primeros organismos multicelulares. Se mencionan más de 200 tipos de células en los seres humanos, cada una con funciones altamente especializadas. Además, se discuten las barreras celulares y su papel en la regulación de respuestas inflamatorias, así como la importancia de los organismos unicelulares en el mundo subterráneo y su relación con los organismos multicelulares.

20:04

🧬 La Diversidad Celular y el Control de la Expresión Genética

El quinto párrafo se centra en cómo se generan diferentes tipos de células a partir del mismo catálogo genético. Se explica cómo la expresión de genes varía de una célula a otra y cómo los factores de transcripción controlan la activación o inactivación de genes. Se discute el uso de moscas de la fruta como modelos para investigar el desarrollo y la especialización celular. Además, se explora el concepto de células madre y su papel en la regeneración y en el cáncer, así como la investigación del laboratorio en células normales y tumorales para desarrollar nuevas terapias.

25:04

🤝 El Lenguaje de las Células y su Comunicación

Este segmento cubre cómo las células se comunican entre sí, ya sea a través de señales químicas o eléctricas. Se describe el papel de las proteínas receptoras en la detección de moléculas en el exterior de la célula y la transmisión de señales dentro de la célula. Se mencionan ejemplos de moléculas de mensajero, como la insulina y la adrenalina, y cómo estas se relacionan con respuestas fisiológicas. Además, se discuten las alteraciones en los sistemas de señalización en diversas patologías y cómo los fármacos pueden modular esta comunicación para tratar enfermedades como la hipertensión, el dolor o el asma.

🛡 La Defensa de las Células y el Sistema Inmune

El sexto párrafo se enfoca en cómo las células se defienden de microorganismos patógenos y cómo el sistema inmune contribuye a la eliminación de células infectadas. Se describe el papel de las células inmunitarias, como los macrófagos y las células dendríticas, en la detección y eliminación de patógenos. Además, se discute la importancia del procesamiento y la presentación de antígenos para el sistema inmune y cómo la investigación en este área puede ayudar a desarrollar vacunas y tratamientos para enfermedades infecciosas.

💀 La Muerte de las Células y su Papel en el Organismo

Este párrafo explora el concepto de muerte celular y su importancia para el bienestar del organismo. Se explica que la muerte celular es necesaria para reemplazar células viejas con nuevas y que el proceso de envejecimiento de las células se debe a la acumulación de daños por radicales libres. Se discute el proceso de apoptosis y su papel en el desarrollo y la homeostasis del organismo. Además, se destaca la importancia de la investigación en biología molecular y cómo esta ha avanzado nuestra comprensión de los procesos celulares y de los organismos.

Keywords

💡Células

Las células son las unidades básicas de la vida, compuestas principalmente de agua y moléculas como lípidos y ácidos nucleicos. En el video, se enfatiza que el 70% de cada célula está compuesta de agua, que es esencial para la vida y la formación de las primeras células hace 4.5 mil millones de años. Las células también son el foco central del documental, que explora su composición, funciones y cómo se relacionan con la salud y la enfermedad.

💡Lípidos

Los lípidos son moléculas esenciales para la formación de membranas celulares que actúan como barrera entre la célula y el exterior. En el script, se menciona que los lípidos forman estructuras llamadas membranas y son fundamentales en la formación de organelas internas como el núcleo o las mitochondrias, cuya proporción en las membranas define las características y funciones de la célula.

💡Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos, como el ADN, constituyen el material genético y tienen la capacidad única de auto-replicarse, lo que es una propiedad distintiva de la vida. En el video, se describe cómo el ADN, confinado en el núcleo de la célula, contiene la información genética necesaria para construir y operar una célula.

💡Proteínas

Las proteínas son moléculas biológicas vitales que realizan la mayoría de las funciones biológicas de la célula. Se mencionan en el script como componentes esenciales en la superficie de las células, en el transporte de sustancias y en las reacciones químicas dentro de la célula. El video también destaca el estudio de la estructura y función de las ribosomas, que son moléculas que participan en la síntesis de proteínas.

💡División Celular

La división celular es el proceso por el cual una célula se reproduce y da lugar a células hijas. El script describe cómo, antes de dividirse, una célula debe crecer y producir suficiente material, duplicando la mayoría de sus estructuras y componentes, incluida su material genético, para asegurar que cada célula hija herede la misma información genética.

💡Cromosomas

Los cromosomas son estructuras formadas por el compactionamiento del ADN y sus proteínas asociadas. En el video, se describe cómo, tras la replicación del ADN y la corrección de errores, los cromosomas se forman y se distribuyen equitativamente entre las células hijas durante la división celular.

💡Cáncer

El cáncer es mencionado en el script como una alteración en la expresión de los genes que promueven el crecimiento y la división celular, y los que inhiben o ralentizan estos procesos. El video destaca el estudio de un tipo especial de cáncer sanguíneo, como las leucemias y linfomas, y cómo los hallazgos han ayudado a mejorar el diagnóstico y la pronoóstico de estas enfermedades.

💡Mitocondoncias

Las mitocondrias son organelas celulares conocidas como las 'fuentes de energía' de la célula. El script describe cómo las mitocondrias participan en la oxidación completa de moléculas derivadas de la glucosa, y cómo su impermeabilidad requiere de transportadores específicos en su membrana interna para permitir la entrada de compuestos y su oxidación completa.

💡Plásticidad Neuronal

La plasticidad neuronal se refiere a la capacidad de los neuronas de ajustar sus conexiones en respuesta a los estímulos recibidos. En el video, se menciona que esta plasticidad es fundamental para almacenar información y memorias, y cómo se pierde en afecciones como la enfermedad de Alzheimer, donde se busca recuperar esta plasticidad para mejorar la capacidad cognitiva.

💡Inmunidad

El sistema inmune es esencial para la defensa de las células y el organismo contra microorganismos patógenos. El script detalla cómo las células inmunitarias, como los macrófagos y las células dendriticas, participan en la detección y eliminación de células infectadas, y cómo se presenta la información de los antígenos en la superficie de las células para que las linfocitos puedan reconocer y eliminar las células infectadas.

💡Apoptosis

La apoptosis es un tipo de muerte celular controlada que permite la eliminación de células dañadas o en exceso durante el desarrollo y el mantenimiento del homeostasis en el organismo adulto. El video menciona la apoptosis como un proceso universal en todas las especies estudiadas y su importancia en la modelación de órganos y la eliminación de células defectuosas.

Highlights

El 70% de cada célula está compuesto por agua, que ofreció el medio para la formación de las primeras células hace 4.5 mil millones de años.

Los lípidos son esenciales para la formación de membranas que aíslan la célula de su entorno y forman estructuras internas como el núcleo o mitochondrias.

Las alteraciones en los niveles de lípidos pueden causar enfermedades graves, como el síndrome de Niemann Pick, que lleva a discapacidad mental y muerte temprana.

Los ácidos nucleicos constituyen nuestro material genético y tienen la capacidad única de producir copias de sí mismos, una propiedad distintiva de la vida.

El ADN, confinado en el núcleo, contiene la información genética necesaria para construir y hacer funcionar una célula.

Las ribosomas leen la secuencia genética y la transforman en proteínas, que realizan la mayoría de las funciones biológicas de la célula.

La división celular permite el crecimiento durante el desarrollo y, en la adultez, reemplaza células muertas y renueva algunos tejidos.

El proceso de división celular tiene puntos de control para asegurar una función adecuada y equilibrar la expresión de genes que promueven o inhiben el crecimiento.

El metabolismo de las células transforma los alimentos en energía, principalmente a través de glucosa, que se oxida completamente en las mitocondrias.

Las mitocondrias son impermeables a la mayoría de los compuestos y requieren transporteres específicos para la oxidación completa de los compuestos de glucosa.

El ATP sintetasa, una turbina de muchos proteínas, genera ATP celular usando el gradiente de protones y regula procesos de envejecimiento y muerte celular.

La diversificación de células en organismos multicelulares ha permitido una alta complejidad, como el pensamiento abstracto humano.

Las células en nuestro organismo tienen el mismo catálogo genético, pero la especialización en diferentes funciones hace que algunos genes estén activados y otros inactivados.

Las células madre son undiferenciadas y se dividen asimétricamente, manteniendo una como célula madre y diferenciando a la otra en células descendientes.

El lenguaje de las células es químico o eléctrico, con receptores en la superficie que detectan moléculas como neurotransmisores o hormonas.

La plasticidad de las conexiones neuronales es fundamental para almacenar información y memorias, y se pierde en patologías como la enfermedad de Alzheimer.

Las células han aprendido a coexistir con microorganismos, y han desarrollado defensas contra patógenos que usan sus recursos y pueden destruirlas.

El sistema inmune elimina células infectadas mediante macrófagos y dendriticas, que presentan antígenos a linfocitos para una respuesta efectiva contra infecciones.

El estudio de la procesamiento y presentación de antígenos es clave para enseñar a los linfocitos a eliminar células infectadas y es la base de las vacunas.

Las células mueren para que el cuerpo pueda vivir, reemplazándose por células jóvenes y manteniendo el proceso de envejecimiento y regeneración.

La apoptosis es un proceso de muerte celular controlada que se utiliza durante el desarrollo y la homeostasis del organismo adulto.

Transcripts

8 great questions about the cell

A documentary from the CBMSO

A production by Scienseed

Funded by FECYT and MINECO

What are cells made of?

Life on Earth cannot be understood without water.

In fact, 70% of each cell is made up of this molecule

which 4.5 billion years ago offered the medium

in which chemical compounds associated and organised themselves to form the first cells.

For the first cells to be formed, they had to be isolated from their surroundings

to which a new type of essential molecule contributed: the lipids.

Lipids are capable of forming structures by associating, which are called membranes

and act as barriers between the cell and the outside.

In addition, lipids form internal membranes and structures inside cells,

called organelles, such as the nucleus or mitochondria, which have different functions.

The proportion of lipids in membranes changes

and this defines the cell’s characteristics as well as their function

That is why abnormalities in lipid levels can lead to very serious diseases,

including a rare syndrome called Niemann Pick

leading to mental disability and early death.

Thanks to a mouse model for this human disease,

we are trying to understand what is wrong,

in order to be able to reverse it or prevent it using drugs or gene therapy.

If we succeed,

we hope to contribute to the development of a treatment for a disease

that today has no cure.

But in addition to lipids there are other molecule families

that are also essential for life as we understand it.

These are carbohydrates or sugars,

vitamins, some ions,

and for their relevance, I would also highlight proteins and nucleic acids.

Nucleic acids constitute our genetic material, our genes.

They are a very special type of biological molecules,

because they have the ability to produce copies of themselves

(self-replication).

This is a distinctive property of life.

Genes are essentially made up of a type of nucleic acid, DNA,

which is confined within the nucleus,

and contains the necessary genetic information to build a cell and to make it work.

Genetic information is coded.

In order to be expressed,

it needs to be translated

using a genetic code and the cell’s molecular machines,

which are called ribosomes.

Ribosomes can read the gene sequence and transform it into proteins.

These are essential biological molecules that carry out most of the cell’s biological functions.

Proteins are everywhere:

on the surface of cells,

involved in the transport of substances,

making up the scaffold,

and carrying out the biological functions of the chemical reactions inside the cell.

In our lab, we study the structure and function of ribosomes

so that we can better understand how protein production is regulated.

The appearance of ribosomes during the evolution of life on Earth was very important,

because it allowed the transition from the prebiotic world

in which chemical reactions were carried out by simple molecules

to the world as we know it today

in which biological functions are carried out primarily by proteins,

which are much more effective, and have the ability to carry out more complex processes.

How does a cell create another cell?

A cell, before dividing itself,

has to grow and produce enough material to generate daughter cells.

In order to do this, the cell duplicates most of its structures and components

but above all, it must be careful

in obtaining an identical copy of its genetic material: DNA.

The DNA molecule is a very special molecule with a double helix structure

in which each strand contains the same genetic information

providing a crucial backup of the genetic material.

DNA replication is carried out by a very important and specialised enzyme, the DNA polymerase,

which is able to replicate each chain using the other one for reference.

This replica is very faithful and almost without errors,

but some mistakes do occur and must be corrected.

On the other hand, DNA molecules are very stable,

but can still be damaged by physical or chemical agents

and they need to be repaired.

Our lab is interested in the molecular mechanisms in cells for detecting and correcting DNA damage,

specifically double-stranded DNA fractures,

which are the most dangerous ones,

since this damage would lead to an unequal division of genetic material between the two daughter cells.

Once the DNA has been replicated, and most of the errors have been corrected,

the association with specific proteins allows it to be rolled up upon itself and compacted,

forming chromosomes.

These chromosomes will equally distribute among the daughter cells,

so each of them contains the same genetic information as its parent.

Cell division allows us to grow during development

and, when we reach adulthood, it replaces dead cells

and even renews some tissue cells.

It is estimated that human beings are able to renew or replace about 300 million cells

... per minute.

Obviously without us being aware of it.

The cell division process has a series of control points

to ensure a smooth function.

The first control point is used so that cells can identify

if favorable circumstances exist for initiating the cell division process

i.e. if there are enough nutrients, oxygen

and stimulatory molecules present in the medium

such as growth factors.

The second checkpoint will serve to identify that the DNA has been properly copied.

The last checkpoint will ensure that the chromosomes are well aligned

so that chromosome distribution in the daughter cells is correct.

Cell division and control points work thanks to the coordinated action of two types of genes:

genes called protooncogenes, which promote growth and cell division

and suppressor genes, which tend to inhibit or slow it down.

In homeostatic conditions there is a balance

in the expression of these genes, responding to cellular needs.

However, this balance is altered in the case of cancer

by activating mutations in protooncogenes, which would send constant proliferation signals,

and by inactivating mutations in suppressor genes.

In recent years, our team has been studying a special type of blood tumour,

leukemias and lymphomas,

and working with animal models and samples coming directly from patients.

Our results have helped identify new alterations

that are being used to improve diagnosis

and prognosis of these diseases

and even to suggest new therapeutic strategies.

How do cells transform food into energy?

Most of the energy cells need comes from glucose,

which is the main sugar molecule.

This energy is extracted through different reactions and transformed into ATP.

On a second phase, glucose requires complete oxidation

in a process that depends on oxygen,

where an even greater amount of energy is obtained.

This second phase occurs in an important organelle: the mitochondria, the powerhouses of the cell.

These glucose-derived compounds need to enter the mitochondria to oxidise completely.

However, mitochondria are impermeable for most compounds,

so special proteins are required at the inner mitochondrial membrane.

These are the mitochondrial transporters,

which are necessary for other proteins to enter the mitochondria and completely oxidise.

As well as transporters, in the inner membrane of the mitochondria

there are two very important pieces of cellular machinery:

one is the electron transport chain that will generate

the proton gradient on both sides of the membrane.

That proton gradient is going to be used by the famous proton ATP synthase,

a complex formed of many proteins

that acts as a turbine

to generate cellular ATP using the proton gradient.

The ATP synthase is not only a multi-protein complex responsible for the synthesis of ATP.

It is also very important because it regulates ageing

and survival processes, as well as death processes,

which happens when cell die.

Since mitochondria have an essential role in the cell

it is easy to understand that in many pathologies they do not work properly.

This has been seen in cancer, degenerative diseases, and cardiovascular diseases.

We have been working for many years on neurometabolic diseases,

which are classified as rare due to their low prevalence.

In many of them, specifically in organic acidurias,

toxic metabolites are accumulated and damage the mitochondria.

As a consequence, these mitochondria will generate molecules derived from oxygen,

which in turn will damage other cell components such as DNA, proteins, or lipids.

We characterise these processes in cells from patients and from mice models,

so that we can to try to correct these defects.

Why do we have so many different cell types in our body?

About 500 million years ago,

the competition between different lifeforms led some unicellular organisms

to associate in increasingly complex communities.

Some of these associations were so deep

that some individual cells lost their identity,

and the first multicellular organisms emerged.

In multicellular organisms the strategy that has been maintained

is the specialisation or diversification of work

and today we have cells which

are highly specialised in performing specific functions.

For instance, in the case of humans

there are more than 200 different cell types,

there are functions as diverse as

the transmission of the nerve impulse from brain neurons

or the heart muscle cells that keep the heartbeat.

And it has been precisely this diversification in different cell types

and this degree of specialisation

what has allowed multicellular organisms

to reach a very high level of complexity

which in humans can be illustrated with our ability for abstract thinking.

One of the strategies of complex organisms to perform specialised functions

is forming cellular barriers that compartmentalise tissues.

A clear example is the vascular endothelium that covers the inner side of blood vessels

which can separate the function of transporting nutrients and oxygen from the rest of the tissue.

In our lab, we study how cellular barriers regulate inflammatory responses

when tissue damage is caused by infection or trauma,

different signals are produced

which induce an increase in the permeability of these barriers

so that immune cells can access the damaged area,

remove microbes and damaged cells, and repair the tissue.

We cannot forget that all these multicellular systems come from unicellular ones

which are the oldest and most abundant on the planet.

Within unicellular organisms, we have to mention those with particular metabolisms,

that are very versatile and can obtain energy from inorganic compounds

such as minerals or very recalcitrant compounds like petroleum.

And within that area, a special mention to a world that we do not know,

that we call the dark biosphere, which is precisely everything that is underground,

and which we just recently started studying.

Multicellular organisms depend on the unicellular ones,

not just for biogeochemical cycles such as the Carbon or Nitrogen cycles,

but also because they are in places such as our skin, our mouth, or our intestines,

performing their functions with their versatile metabolisms

that allow us to exist and work properly.

Recently it has also been observed that this group of microorganisms associated with humans

that we call biome may be dysfunctional,

and this may cause diseases.

How can we obtain such different cells with the same genetic material?

All cells in our organism have the same genetic catalog

which is made up of 20,000 genes.

This doesn’t mean that every cell uses every gene:

specialisation in different functions make each cell acquire a different configuration

in which some genes are on and some are off.

Whether genes are turned on or off depends largely on the conformation of DNA.

DNA is a long, coiled structure inside the nucleus,

and so there will be some genes which are more accessible than others.

Transcription factors are vital proteins that will control genes being turned on or off.

These proteins selectively bind to the beginning of genes,

reading their information,

transcribing their message and ultimately producing the protein.

In our laboratory we use fruit flies as an animal model,

since genetic tools developed in the last 100 years allow us

to address the problems that we want to solve easily and quickly.

In addition, the results that we obtain from our study with the fly

can be extrapolated to more complex organisms like us.

Generally, the process of turning genes on and off during development is so decisive for cell specialisation

that it is irreversible.

Marks will be generated which limit conformation and accessibility of DNA,

and which make it so that a liver cell

cannot be converted into anything other than a liver cell until its death,

and can never generate a neuron, for instance,

because it is programmed irreversibly. and can never generate a neuron, for instance,

because it is programmed irreversibly.

This is what happens under normal conditions,

which is why there are tissue stem cells

responsible for generating all types of cells in the tissue.

These stem cells are undifferentiated cells that divide asymmetrically,

so their daughter cells are not the same.

One will remain a stem cell,

and the other one will differentiate into the descendant cells.

These stem cells play an essential role in cancer

because there are tumour stem cells

that renew the tumour and make it resistant to therapy.

This is why in our group we investigate normal and tumour cells

in order to find new therapies that can replace or complement existing ones.

What is the language of cells?

When you are nervous, several things happen:

your heart beats faster, your breathing speeds up

and your blood pressure rises.

In order to coordinate all these actions between different organs,

cells in these organs must have a common language.

And basically, the language of cells is either chemical or electrical.

Chemical language is based on the existence of receptor proteins on the surface of each cell.

These proteins serve as antennas, and detect the presence of molecules

such as neurotransmitters or hormones on the outside.

When they join these neurotransmitters or hormones

they can then transmit that signal inside the cell.

There are many types of messenger molecules, but all of them are produced or released

in response to changes in the environment,

in order to allow an adequate response of the body.

Thus, pancreatic cells release insulin

in response to high glucose levels after a meal

to promote nutrient storage in tissues.

In alarm situations our adrenal glands release adrenalin,

which coordinates the action of multiple tissues involved in stress responses.

These signalling systems are altered in many pathological situations

either by excess or defect of their normal function,

and many drugs modulate this communication between molecules and receptors

in order to attenuate the effects of the pathology,

as it happens in hypertension, pain, or asthma.

Our research group uses cellular and mouse models

in order to find changes in cell communication

in cardiovascular or metabolic diseases related to obesity and diabetes

and also in certain tumours

so that we can identify new useful diagnostic tools for the treatment of these pathologies.

At neurons is where chemical signals are transformed into electrical nervous impulses.

This happens at high speed and is critical for neurons

to process information and store it quickly.

It is estimated that the human brain contains almost 100 billion neurons.

Each neuron communicates with another 1000 individual neurons approximately.

This is a tremendously complex communication or connectivity pattern

and it is fundamental to all the cognitive activities that make us human.

Decision making, whether we decide to park our car in one place or another of the parking lot

whether we are more optimistic or pessimistic one morning

it all happens through this pattern of communication between neurons.

In the lab we use electrophysiology techniques with micro electrodes

to record the electrical activity of neurones In the lab we use electrophysiology techniques with micro electrodes

to record the electrical activity of neurons

and what we are observing is that this connectivity pattern is very plastic:

neurons adjust their connections according to the stimuli they receive.

We now know that this is fundamental to store information and memories

and that in pathological situations such as Alzheimer's disease

this plasticity is lost.

Now, with what we are learning in the lab,

we try to use pharmacological and molecular tools to recover this plasticity

and hopefully even regain cognitive ability in Alzheimer's patients.

How do cells defend themselves, and how do they defend our organism?

During evolution, cells have learned to coexist with microorganisms How do cells defend themselves, and how do they defend our organism?

During evolution, cells have learned to coexist with microorganisms

such as parasites, bacteria, or viruses that live in our environment.

Some of these microorganisms are considered pathogens

because they use cell resources, and may even destroy it.

In order to avoid this attack, cells have learned to defend themselves against these microorganisms.

At the same time, microorganisms have developed

very sophisticated strategies to counteract cell defenses.

This has led to the development of an arms race at the molecular level

between microorganisms and cells has been happening for millions of years.

The body's way of eliminating infected cells

is through the use of a specific system known as the immune system.

Some immune system cells which are capable of immediately recognising an infected cell

are, for instance, macrophages

that will rapidly remove any cells infected by pathogens.

Other cells of the immune system patrol the body.

They are called dendritic cells, and they’re able to reach the infection site,

pick up the pathogen, and transport it to an anatomical location,

specifically the lymph nodes and spleen.

Once there, they show that pathogen to other cells called lymphocytes,

which are going to learn the type of pathogen that is infecting us and multiply

forming an army that will leave the lymph nodes and spleen,

find the infection site, and eliminate it.

Our immune system defends us from infections,

but in order to do so, it has to find out very early on

what is happening in an infected cell and distinguish it from an uninfected one.

How is this done?

By producing small fragments of viral proteins

and presenting them on the surface of the infected cell.

Once these peptides derived from the virus are there,

T lymphocytes, that are like the police of our immune system

are able to recognise an infected cell

differentiate it from one that is not infected

and then eliminate the infected ones, and completely remove the infection.

Why is it important to study and learn about antigen processing and presentation,

which is what we do in our lab?

Because this way, we can teach our T lymphocytes how to eliminate infected cells.

Ideally this is done before the infection takes place

so that when there is one afterwards there is a rapid, effective and very strong response

maybe even avoiding illness.

This is important because it is the basis of vaccines:

preventing disease when we face a pathogenic organism.

Why do cells die?

Cells die so that the body can live.

In other words, it is necessary for a cell to die and be replaced by young cells.

This happens because cells do not have an infinite lifespan:

actually, they have very short lives.

Before dying, a cell enters into a process called ageing

which is nothing but a loss of function.

This is caused because living cells consume oxygen, nutrients, glucose, amino acids,

and generate free radicals that damage proteins, lipids, nucleic acids.

All this causes the cell to work less efficiently.

When this happens, its replication ability is compromised or lost

and sends signals to stem cells in the vicinity.

They receive these stimuli and generate new cells that replace the old ones.

The problem is that these stem cells also suffer the ageing process

because they have also been consuming oxygen and nutrients

and they are losing their capacity to regenerate.

So when we are older, we have organs with many old cells

and with very little capacity to regenerate.

There is a type of cell death called apoptosis

which is a process by which certain cells decide to enter

a path of differentiation that leads to their disappearance.

This mechanism was first identified in an animal model called C. elegans, a worm

and it has been found to be a universal process conserved in all species studied so far.

In general, apoptosis functions both during normal development

where it participates in the modelling of the size and shape of organs

and in the maintenance of homeostasis of the adult organism

where it contributes to the elimination of cells that, for environmental or genetic reasons,

have been damaged and need to be eliminated.

In both cases this process of apoptosis is used, leading to the elimination of cells.

Research in molecular biology has spread to all aspects of the biology of cells and organisms.

These advances have happened due to the intensive and extensive work

of a few generations of scientists working since the 1940s

who have revolutionised our knowledge of cellular processes,

and provided the basic tools to further develop the fields of medicine and biotechnology.

However, much work remains to be done to understand all the processes that take place inside our cells.

Present and future generations will deepen this basic knowledge

in order to understand our evolutionary origins, our cells,

and the diseases that affect us.

A documentary from the Centre for Molecular Biology Severo Ochoa

Funded by the Spanish Foundation for Science and Technology - Ministry of Economy and Competitiveness

A production by Scienseed

The research shown in this documentary would have not been possible without the support of technical and administrative services at CBMSO, that perform a very specialized function often using the latest technologies. We are truly grateful for their collaboration, and in particular we thank those involved in the completion of this documentary:

Confocal microscopy, Animal facility, Electron microscopy, Bioinformatics, Library, Flow Citometry

Genomics and massive sequencing, Fermentation service, Proteomics, Computing services, Science and Society

We thank all the scientists that have participated, in one way or another, in this project.

The CBMSO is supported by:

Madrid, December 2016