Nuevas revelaciones sobre la evolución, los biocombustibles y el envejecimiento celular: los biólogos han desarrollado una levadura impulsada por luz.

Las proteínas de rodopsina verde dentro de las paredes celulares azules ayudan a estas levaduras a crecer más rápido cuando están expuestas a la luz. Crédito: Anthony Burnetti, Georgia Institute of Technology

La levadura es conocida por su habilidad para fermentar carbohidratos en productos como el pan y la cerveza, generalmente requiriendo un entorno oscuro. La exposición a la luz en estas situaciones puede interrumpir o arruinar el proceso de fermentación.

Sin embargo, un estudio reciente publicado en Current Biology por investigadores de la Escuela de Ciencias Biológicas de Georgia Tech presenta un avance importante: han diseñado una de las primeras cepas de levadura que puede sentirse mejor con la luz encendida.

"Nos sorprendió gratamente lo fácil que fue convertir la levadura en fotótrofos (organismos capaces de aprovechar y utilizar la energía de la luz)", dice Anthony Burnetti, científico investigador que trabaja en el laboratorio del profesor asociado William Ratcliff y autor correspondiente del estudio. "Lo único que tuvimos que hacer fue mover un solo gen, y crecieron un 2% más rápido con luz que en la oscuridad. Sin afinaciones ni persuasiones cuidadosas, simplemente funcionó".

Equipar fácilmente la levadura con una característica evolutivamente importante podría significar grandes avances en nuestra comprensión de cómo se originó esta característica y cómo se puede utilizar para estudiar cosas como la producción de biocombustibles, la evolución y el envejecimiento celular.

Autumn Peterson, estudiante de doctorado en Biología y autora principal del estudio, observa células de levadura junto con Anthony Burnetti, científico investigador y autor correspondiente del estudio, en el laboratorio. Crédito: Audra Davidson, Georgia Institute of Technology

La investigación fue inspirada por el trabajo previo del grupo investigando la evolución de la vida multicelular. El grupo publicó su primer informe sobre su Experimento de Evolución a Largo Plazo de Multicelularidad (MuLTEE) en Nature el año pasado, descubriendo cómo su organismo modelo unicelular, "levadura en copos de nieve", pudo evolucionar hacia la multicelularidad durante más de 3,000 generaciones.

A lo largo de estos experimentos de evolución, una limitación importante para la evolución multicelular apareció: la energía.

"El oxígeno tiene dificultades para difundirse en los tejidos profundamente, y se obtienen tejidos sin la capacidad de obtener energía como resultado", dice Burnetti. "Estaba buscando formas de superar esta limitación energética basada en el oxígeno".

Una forma de proporcionar a los organismos un impulso energético sin usar oxígeno es a través de la luz. Sin embargo, la capacidad de convertir la luz en energía utilizable puede ser complicada desde un punto de vista evolutivo. Por ejemplo, el mecanismo molecular que permite a las plantas utilizar la luz para obtener energía implica una serie de genes y proteínas difíciles de sintetizar y transferir a otros organismos, tanto en el laboratorio como naturalmente a través de la evolución.

Afortunadamente, las plantas no son los únicos organismos que pueden convertir la luz en energía.

Una forma más sencilla para que los organismos utilicen la luz es a través de las rodopsinas: proteínas que pueden convertir la luz en energía sin necesidad de maquinaria celular adicional.

"Las rodopsinas se encuentran en todo el árbol de la vida y, al parecer, son adquiridas por organismos que obtienen genes de otros a lo largo del tiempo evolutivo", dice Autumn Peterson, estudiante de doctorado en Biología que trabaja con Ratcliff y autora principal del estudio.

Este tipo de intercambio genético se llama transferencia horizontal de genes e implica la compartición de información genética entre organismos no estrechamente relacionados. La transferencia horizontal de genes puede causar saltos evolutivos aparentemente grandes en poco tiempo, como la rápida capacidad de las bacterias para desarrollar resistencia a ciertos antibióticos. Esto puede ocurrir con todo tipo de información genética y es particularmente común con las proteínas de rodopsina.

Investigadores de biología de Georgia Tech que trabajaron en el estudio incluyen (de izquierda a derecha) al profesor asistente de la Facultad de Ciencias Biológicas, William Ratcliff, la redactora de subvenciones del Centro de Dinámica Microbiana e Infección Carina Baskett, la estudiante de doctorado en Biología, Autumn Peterson (autora principal), y el científico investigador Anthony Burnetti (autor correspondiente). Crédito: Audra Davidson, Georgia Institute of Technology

"En el proceso de encontrar una forma de introducir rodopsinas en la levadura multicelular", explica Burnetti, "descubrimos que podíamos aprender sobre la transferencia horizontal de rodopsinas que ha ocurrido a lo largo de la evolución pasada al transferirla a levadura regular unicelular, donde nunca había estado antes".

Para ver si podían equipar a un organismo unicelular con rodopsina alimentada por energía solar, los investigadores añadieron un gen de rodopsina sintetizado a partir de un hongo parasitario a la levadura de pan común. Este gen específico codifica una forma de rodopsina que sería insertada en la vacuola de la célula, una parte de la célula que, al igual que las mitocondrias, puede convertir gradientes químicos generados por proteínas como la rodopsina en energía.

Equipados con rodopsina vacuolar, la levadura creció aproximadamente un 2% más rápido cuando estaba iluminada, un gran beneficio en términos de evolución.

“Here we have a single gene, and we’re just yanking it across contexts into a lineage that’s never been a phototroph before, and it just works,” says Burnetti. “This says that it really is that easy for this kind of a system, at least sometimes, to do its job in a new organism.”

This simplicity provides key evolutionary insights and says a lot about “the ease with which rhodopsins have been able to spread across so many lineages and why that may be so,” explains Peterson, who Peterson recently received a Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Gilliam Fellowship for her work. Carina Baskett, grant writer for Georgia Tech’s Center for Microbial Dynamics and Infection, also worked on the study.

Because vacuolar function may contribute to cellular aging, the group has also initiated collaborations to study how rhodopsins may be able to reduce aging effects in the yeast. Other researchers are already starting to use similar new, solar-powered yeast to study advancing bioproduction, which could mark big improvements for things like synthesizing biofuels.

Ratcliff and his group, however, are mostly keen to explore how this added benefit could impact the single-celled yeast’s journey to a multicellular organism.

“We have this beautiful model system of simple multicellularity,” says Burnetti, referring to the long-running Multicellularity Long-Term Evolution Experiment (MuLTEE). “We want to give it phototrophy and see how it changes its evolution.”