Nuove conoscenze sull'evoluzione, i biocarburanti, l'invecchiamento cellulare - i biologi hanno sviluppato lievito alimentato dalla luce.

I proteine di rhodopsina verde all'interno delle pareti cellulari blu aiutano questi lieviti a crescere più velocemente quando esposti alla luce. Credito: Anthony Burnetti, Georgia Institute of Technology

Il lievito è spesso conosciuto per la sua capacità di fermentare i carboidrati in prodotti come pane e birra, di solito richiedendo un ambiente buio. L'esposizione alla luce in queste situazioni può interrompere o rovinare il processo di fermentazione.

Tuttavia, uno studio recente pubblicato in Current Biology da ricercatori della Scuola di Scienze Biologiche del Georgia Tech presenta una scoperta innovativa: hanno ingegnerizzato uno dei primi ceppi di lievito che potrebbe trovarsi meglio con la luce accesa.

"Siamo rimasti sinceramente sorpresi da quanto fosse semplice trasformare il lievito in fototrofi (organismi in grado di sfruttare ed utilizzare l'energia dalla luce)", afferma Anthony Burnetti, un ricercatore scientifico che lavora nel laboratorio del professor associato William Ratcliff e autore corrispondente dello studio. "Abbiamo dovuto solo spostare un singolo gene e sono cresciuti dello 2% più velocemente alla luce che al buio. Senza alcun affinamento o persuasione attenta, ha funzionato semplicemente."

Dotare facilmente il lievito di un tratto evolutivamente importante potrebbe significare molto per la nostra comprensione di come questo tratto abbia avuto origine e come possa essere utilizzato per studiare cose come la produzione di biocarburanti, l'evoluzione e l'invecchiamento cellulare.

La dottoranda in biologia Autumn Peterson, autrice principale dello studio, osserva le cellule di lievito con Anthony Burnetti, ricercatore scientifico, autore corrispondente dello studio, in laboratorio. Credito: Audra Davidson, Georgia Institute of Technology

La ricerca è stata ispirata dal lavoro precedente del gruppo che indagava sull'evoluzione della vita pluricellulare. Il gruppo ha pubblicato il loro primo rapporto sul loro Esperimento sull'Evolution Experiment a Lungo Termine della Multicellularità (MuLTEE) su Nature l'anno scorso, scoprendo come il loro organismo modello unicellulare, "lievito a fiocco di neve", fosse in grado di evolvere la pluricellularità in oltre 3.000 generazioni.

Durante questi esperimenti evolutivi, una delle principali limitazioni per l'evoluzione pluricellulare era l'energia.

"L'ossigeno ha difficoltà a diffondersi in profondità nei tessuti e si ottengono tessuti senza la capacità di ottenere energia come risultato", afferma Burnetti. "Stavo cercando modi per superare questa limitazione energetica basata sull'ossigeno."

Un modo per dare agli organismi un'accelerazione energetica senza usare l'ossigeno è attraverso la luce. Tuttavia, la capacità di trasformare la luce in energia utilizzabile può essere complicata dal punto di vista evolutivo. Ad esempio, il macchinario molecolare che consente alle piante di utilizzare la luce per l'energia implica una serie di geni e proteine difficili da sintetizzare e trasferire ad altri organismi, sia in laboratorio che naturalmente attraverso l'evoluzione.

Fortunatamente, le piante non sono gli unici organismi in grado di convertire la luce in energia.

Un modo più semplice per gli organismi di utilizzare la luce è con le rodopsine: proteine in grado di convertire la luce in energia senza macchinari cellulari aggiuntivi.

"Le rodopsine sono presenti ovunque nell'albero della vita e apparentemente vengono acquisite dagli organismi che ottengono geni l'uno dall'altro nel tempo evolutivo", afferma Autumn Peterson, dottoranda in biologia che lavora con Ratcliff e autrice principale dello studio.

Questo tipo di scambio genetico è chiamato trasferimento genico orizzontale e implica la condivisione di informazioni genetiche tra organismi non strettamente imparentati. Il trasferimento genico orizzontale può causare salti evolutivi apparentemente grandi in breve tempo, come ad esempio come i batteri sono in grado di sviluppare rapidamente resistenza ad alcuni antibiotici. Ciò può accadere con tutti i tipi di informazioni genetiche ed è particolarmente comune con le proteine di rodopsina.

I ricercatori di biologia del Georgia Tech che hanno lavorato allo studio includono (da sinistra a destra) l'assistente professore William Ratcliff della Scuola di Scienze Biologiche, la scrittrice di grant del Center for Microbial Dynamics and Infection Carina Baskett, la dottoranda in biologia Autumn Peterson (autrice principale) e il ricercatore scientifico Anthony Burnetti (autore corrispondente). Credito: Audra Davidson, Georgia Institute of Technology

"Nel processo di trovare un modo per introdurre rodopsine nei lieviti pluricellulari", spiega Burnetti, "abbiamo scoperto che potevamo apprendere sul trasferimento orizzontale delle rodopsine che si è verificato durante l'evoluzione passata trasferendolo in lieviti regolari monocellulari dove non era mai stato prima".

Per verificare se potevano fornire un organismo monocellulare con rodopsina alimentata dal sole, i ricercatori hanno aggiunto un gene di rodopsina sintetizzato da un fungo parassita al lievito da forno comune. Questo gene specifico è codificato per una forma di rodopsina che verrebbe inserita nella vacuola della cellula, una parte della cellula che, come le mitocondrie, può trasformare gradienti chimici creati da proteine come rodopsina in energia.

Dotato di rodopsina vacuolare, il lievito è cresciuto circa del 2% più velocemente quando illuminato - un enorme vantaggio in termini di evoluzione.

“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.”