Levadura hecha para cosechar un ligero indicio del pasado de la evolución

ohEn la Tierra, donde hay luz, hay plantas, algas verdes o cianobacterias.¹ El secreto de su éxito evolutivo son las proteínas captadoras de luz que aprovechan la energía del sol. Pero mucho antes de que las proteínas fotosintéticas dominaran el planeta, hizo su debut otro grupo de proteínas captadoras de luz. Pensado para Han evolucionado desde hace tanto tiempo como la propia vida celular.las rodopsinas estuvieron entre los primeros paneles solares proteicos.²

Tanto los procariotas como los eucariotas expresan rodopsinas, y los científicos creen que los procariotas donaron genes de rodopsina a los eucariotas a través de transferencia horizontal de genes.³ Ahora, informando en Biología actualun equipo de biólogos evolutivos y sintéticos recreó este proceso mediante transferir un gen de rodopsina de una especie eucariota a otra para ver si todavía funcionaba en su huésped desconocido, ofreciendo una idea de cómo las rodopsinas encontraron su camino en la historia evolutiva de los eucariotas.⁴

El movimiento de material genético de los procariotas parecía una ruta plausible para que las rodopsinas llegaran a los eucariotas, pero los investigadores aún luchaban con algunos de los detalles de esta transferencia genética. Específicamente, se preguntaron si los procariotas transfirieron genes de rodopsina junto con un conjunto de genes que ayudan a las rodopsinas a funcionar dentro de su nuevo huésped. Después de todo, las bacterias suelen transferir grupos de genes que trabajan juntos en operonesen lugar de genes individuales.⁵ Los científicos se preguntaron si las rodopsinas también necesitan emparejarse con otros genes para funcionar correctamente o si son más autosuficientes.

Para comenzar su investigación, el equipo tuvo que elegir cuidadosamente una rodopsina. Autor del estudio y biólogo sintético. Antonio Burnetti en el Instituto de Tecnología de Georgia recurrieron a una variedad de rodopsinas eucariotas que circulan hacia las vacuolas en el citoplasma porque los científicos no sabían si dependían de un conjunto de proteínas para viajar a esos sitios. “Quería algo que llegara limpiamente a la vacuola en lugar de ir a otros lugares de la célula”, explicó Burnetti.

Las vacuolas realizan una de las operaciones más costosas en la célula, pero las rodopsinas que captan la luz ayudan a reducir sus demandas de energía. Estos orgánulos reducen la acidez del citoplasma secuestrando sus protones. Las vacuolas queman continuamente trifosfato de adenosina (ATP) para impulsar este proceso, pero una vez que el ATP se agota, las vacuolas se detienen y liberan protones de regreso al citoplasma. “Es como un barco con fugas en el que hay que hacer funcionar un pequeño generador para seguir bombeando agua”, dijo el autor del estudio y biólogo evolutivo. Will Ratcliff en el Instituto de Tecnología de Georgia. “Si te quedas sin gasolina, el barco empieza a absorber mucha agua”.

De la gran variedad de rodopsinas que se alojan en vacuolas, Ratcliff eligió una que se encuentra en el hongo comestible del carbón del maíz. ustilago maydis, un manjar de la cocina mexicana. La rodopsina del hongo del carbón del maíz, que se aloja en las vacuolas, utiliza energía luminosa en lugar de ATP para bombear protones a la vacuola, lo que ayuda a la célula a reducir su gasto de ATP de la misma manera que los paneles solares en los tejados minimizan las facturas de energía.

Una vez elegida su rodopsina, el equipo tuvo que elegir una especie receptora que albergara el gen. Recurrieron a un hongo diferente de importancia culinaria: la levadura de panadería (Saccharomyces cerevisiae). A menudo se utiliza en repostería, elaboración de cerveza y elaboración de vino, y se utiliza como especie modelo para la investigación de hongos. Debido a que esta levadura vive en lugares oscuros y no expresa rodopsinas, su genoma no evolucionó para soportar las proteínas captadoras de luz. Esto convirtió a la levadura de panadería en un recipiente adecuado para que el equipo probara si podían conectar y reproducir la rodopsina del hongo del carbón del maíz, convirtiendo la levadura que habita en la oscuridad en recolectoras de luz.

El equipo comenzó su estudio fusionando la rodopsina con una proteína verde fluorescente, para poder rastrear su movimiento dentro de la levadura, donde observaron que se localizaba en las vacuolas sin requerir genes adicionales que la levadura de panadería no poseía ya.

Aunque los investigadores descubrieron la rodopsina dentro de la vacuola, no sabían si era funcional. Sin un conjunto de genes auxiliares, las rodopsinas podrían no beneficiar a la célula o, peor aún, alterar su funcionamiento normal. No obstante, una investigación más profunda reveló que el citoplasma se volvió aún menos ácido cuando introdujeron la rodopsina, lo que sugiere que funcionaba como una bomba de protones que podría reducir la dependencia de la célula de las bombas alimentadas por ATP.

Esta rodopsina independiente proporcionó un claro beneficio a la levadura sin depender de un equipo de otros genes auxiliares, pero los investigadores querían determinar si también le daba a la levadura una ventaja evolutiva. Compararon la competitividad de las cepas genéticamente modificadas y originales al combinarlas en números iguales y permitirles crecer. Descubrieron que la levadura que contenía rodopsina floreció con el tiempo, pero sólo cuando se cultivaba a la luz.

“Esta fue una manera muy creativa de demostrar realmente que estas rodopsinas podrían proporcionar una ventaja competitiva”, dijo Adrián Marchettiun oceanógrafo biológico de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill que no participó en el estudio.

En general, el gen transferido por sí solo proporcionó un beneficio a la levadura, pero los científicos se preguntaron si este éxito tuvo un costo. Para averiguarlo, Burnetti y su equipo tiñeron la levadura con Yoduro de propidio para señalar las células muertas.⁶ Descubrieron que la levadura que contenía rodopsina tenía más víctimas que los cultivos sin rodopsina cuando se cultivaba en la oscuridad, lo que revela que el gen era tóxico para sus nuevos huéspedes. La levadura que contenía rodopsina murió en cantidades aún mayores cuando se cultivaba a la luz, lo que sugiere que la rodopsina era más tóxica cuando estaba activa. Dado que el gen reducía la supervivencia, el equipo dedujo que la única forma en que podría haber proporcionado una ventaja competitiva general era impulsando la reproducción.

Hay varias razones potenciales por las que la rodopsina podría haber llevado a la levadura a una muerte prematura. Autor del estudio y biólogo evolutivo otoño peterson del Instituto de Tecnología de Georgia dijo: “Al agregar una proteína, habrá algunos costos”. Después de todo, sintetizar múltiples copias de una proteína adicional utilizando un recurso finito podría sobrecargar las células.

Burnetti añadió que la rodopsina también puede desempeñar funciones nocivas. “Mueven los lípidos hacia adelante y hacia atrás entre ambos lados de la membrana”, dijo. “Por lo tanto, podrían estar alterando un poco la fisiología”.

Otra posibilidad es que las rodopsinas utilicen la luz para convertir el oxígeno en especies reactivas de oxígeno que dañan las células al alterar las proteínas y el ADN. “Todos sabemos que necesitamos oxígeno, pero dentro de una célula puede ser como dinamita”, comentó Marchetti.

Burnetti y su equipo demostraron que las transferencias de un solo gen podrían haber ocurrido durante la transferencia horizontal de genes en la historia evolutiva, un hallazgo que podría impulsar a los investigadores a estudiar estas transferencias genéticas en otros eucariotas. Por ejemplo, Marchetti estudia Cómo las rodopsinas vacuolares benefician al fitoplanctonparticularmente donde hay buena luz pero falta de nutrientes, como hierro.⁷ De manera similar, se pregunta cómo el fitoplancton heredó las rodopsinas, pero es más complicado trabajar con fitoplancton en el laboratorio. Dadas estas limitaciones, dijo que este estudio le parecía valioso. “Decidimos que tal vez debía provenir de una bacteria mediante transferencia horizontal de genes. Este documento demuestra que se trata de una estrategia viable”, afirmó Marchetti.

En el futuro, Peterson pretende probar el beneficio evolutivo de esta rodopsina en otras circunstancias. “Estamos interesados ​​en poner la rodopsina en levadura de copo de nieve y luego, eventualmente, realizar un experimento evolutivo a largo plazo”, dijo. Levadura de copo de nieve son bolas multicelulares de levadura de panadería, y el equipo podría utilizarlas para estudiar si las rodopsinas confieren un beneficio a las células interiores protegidas de la luz dentro de los organismos multicelulares.⁸

Referencias

1. Planavsky Nueva Jersey, et al. Evolución de la estructura e impacto de la biosfera terrestre.. Nat Rev Medio Ambiente de la Tierra. 2021;2(2):123-139.
2. DasSarma S, Schwieterman EW. Evolución temprana de los pigmentos retinianos púrpuras en la Tierra e implicaciones para las biofirmas de exoplanetas. Astrobiología Int J. 2021;20(3):241-250.
3. Rius M, et al. La transferencia horizontal de genes y la fusión propagan la carotenogénesis entre diversos protistas heterótrofos. GBE. 2023;15(3):evad029.
4. Peterson A, et al. Transformación de levadura en un fotoheterótrofo facultativo mediante la expresión de rodopsina vacuolar. Curr Biol. 2024;34(3):648-654.e3.
5. Lawrence JG, Roth JR. Operons egoístas: la transferencia horizontal puede impulsar la evolución de grupos de genes. Genética. 1996;143(4):1843-1860.
6. Riccardi C, Nicoletti I. Análisis de la apoptosis mediante tinción con yoduro de propidio y citometría de flujo.. Protocolo Nacional. 2006;1(3):1458-1461.
7. Andrew SM, et al. Uso generalizado de rodopsina bombeadora de protones en el fitoplancton antártico. Proc Natl Acad Sci EE.UU.. 2023;120(39):e2307638120.
8. Bozdag GO, et al. De novo evolución de la multicelularidad macroscópica. Naturaleza. 2023;617(7962):747-754.