Diseñan la primera levadura alimentada por luz

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Los experimentos muestran la facilidad con la que los organismos pueden desarrollar la capacidad de aprovechar la luz solar para obtener energía.

Las levaduras son amantes de los carbohidratos, y se mantienen fermentando azúcares y almidones de fuentes como la masa, las uvas y los cereales, con pan, vino y cerveza como subproductos.

Ahora, investigadores han hecho que un tipo de levadura sea un poco menos dependiente de los carbohidratos al permitirle usar la luz como energía.

El trabajo es “el primer paso en modos más complejos de ingeniería de fotosíntesis artificial”, dice Magdalena Rose Osburn, geobióloga de la Universidad Northwestern que no participó en la investigación.

También recapitula una transición evolutiva clave: el aprovechamiento de la luz.

“Es extraordinario“, dice Felipe Santiago-Tirado, biólogo de células fúngicas de la Universidad de Notre Dame. “Hasta cierto punto, es como convertir un animal en una planta”.

Bueno, no del todo. Para convertir el dióxido de carbono en azúcares que alimentan la vida en la Tierra, las plantas dependen de un complejo proteico que incluye clorofila para transportar electrones y protones, que realizan reacciones químicas y transfieren energía.

Los investigadores han estado trabajando durante años para recrear la fotosíntesis para explorar cómo usar la luz de manera más eficiente como fuente de energía para paneles solares y otras aplicaciones y para criar plantas y otros organismos para que sean más productivos.

Pero el complejo de clorofila requiere muchas otras moléculas para hacer su trabajo.

Entonces, Anthony Burnetti, genetista del Instituto de Tecnología de Georgia, y el biólogo evolutivo de Georgia Tech, William Ratcliff, buscaron una solución más simple.

Se concentraron en una proteína conocida como rodopsina, que no requiere un gran séquito molecular.

Es una solución a la que la naturaleza también se ha decidido: las bacterias, algunos protistas, las algas marinas e incluso los virus de las algas utilizan la rodopsina para convertir la luz en energía utilizable, a menudo para bombear protones para funciones celulares.

Los investigadores comenzaron insertando un gen de rodopsina que pertenecía a una bacteria marina en la levadura de cerveza (Saccharomyces cerevisiae) en una placa de Petri.

Burnetti esperaba que la rodopsina llegara a la vacuola de la levadura, un saco cargado de enzimas que degrada las proteínas innecesarias.

Una molécula de energía llamada trifosfato de adenosina (ATP) alimenta el proceso mediante el bombeo de protones en la vacuola para hacer que su interior sea ácido, óptimo para la degradación.

Burnetti se preguntó si la energía de la luz podría hacer ese trabajo en su lugar.

Pero el primer esfuerzo del equipo fracasó cuando la proteína rodopsina producida por el gen fue a un compartimento diferente conocido no por la degradación de proteínas, sino por la síntesis de proteínas.

Entonces, Burnetti buscó en su lugar la rodopsina que ya se sabe que existe en las vacuolas.

Se decidió por usar uno de carbón de maíz, un patógeno fúngico.

Al adjuntar una etiqueta fluorescente verde a la proteína, él y sus colegas verificaron que se había localizado en la vacuola de la levadura, como esperaban.

La estudiante de posgrado Autumn Peterson, miembro del equipo de Burnetti, fue un paso más allá para demostrar que esta levadura modificada efectivamente estaba usando luz.

Cultivó la nueva cepa en el mismo plato que la levadura original, inalterada, y la expuso a luz verde, la longitud de onda a la que la rodopsina es más sensible.

Las células de la cepa sensible a la luz tenían vidas más cortas, pero se reproducían lo suficientemente rápido como para superar a la levadura que no detecta la luz en un 0,8 %, descubrió el equipo.

Esa es una “gran ventaja“, dice Santiago-Tirado.

Con el tiempo, en la luz, Peterson espera que las células que usan la luz eventualmente reemplacen a las que no han sido alteradas, al igual que los primeros usuarios de la luz podrían haber reemplazado a sus competidores en la naturaleza hace eones.

Burnetti y sus colegas creen que la luz induce a la rodopsina a bombear más protones a la vacuola, lo que alivia la necesidad de las células de gastar ATP para esta tarea y, en cambio, libera esa energía para ayudar a la célula a crecer de otras maneras.

El aumento de la acidez dentro de la vacuola puede disminuirla fuera de la vacuola, lo que hace que las enzimas funcionen más rápido y se desgasten antes, lo que también puede ayudar a explicar la mayor tasa de mortalidad entre estas células alteradas.

Cualquiera que sea la forma en que funcione, “es claramente beneficioso para las células de levadura“, dice Michael McMurray, biólogo molecular del campus médico de la Universidad de Colorado Anschutz.

Pero es posible que el experimento no revele mucho sobre cómo evolucionó el uso de la rodopsina en la naturaleza.

“Creo que los autores enfatizan demasiado la importancia evolutiva de su trabajo”, dice Robert Blankenship, bioquímico emérito de la Universidad de Washington en St. Louis.

“Esta es una construcción artificial y no es el producto de la evolución natural”.

Otros piensan que el trabajo puede tener aplicaciones industriales, médicas y de investigación básica. Alaattin Kaya, un biólogo que estudia el envejecimiento en la Virginia Commonwealth University, dice que estas células de levadura pueden ayudar a aclarar por qué la acidificación de las vacuolas durante la vida de una célula a veces parece causar el mal funcionamiento de las mitocondrias y, a su vez, acelerar el envejecimiento.

Le encantaría agregar rodopsina a las mitocondrias para observar su impacto.

A Burnetti también le gustaría apuntar a las mitocondrias, pero por una razón diferente.

“Aunque parece que nunca sucedió en la naturaleza, definitivamente planeamos poner rodopsina en la mitocondria”.

Debido a que las mitocondrias pueden producir ATP de manera eficiente, agregar rodopsina podría proporcionar mucha energía directamente del Sol, tal como lo hace la fotosíntesis.

En ese sentido, la levadura se parecería un poco más a las plantas.

Fuente: Science