I ricercatori creano lievito alimentato dalla luce, fornendo informazioni sull’evoluzione, sui biocarburanti e sull’invecchiamento cellulare

In un nuovo studio pubblicato su Biologia attualei ricercatori della School of Biological Sciences della Georgia Tech hanno progettato uno dei primi ceppi di lievito al mondo che potrebbe essere più felice con le luci accese.

“Siamo rimasti francamente scioccati da quanto sia stato semplice trasformare il lievito in fototrofi (organismi che possono sfruttare e utilizzare l’energia della luce)”, afferma Anthony Burnetti, ricercatore che lavora nel laboratorio del professore associato William Ratcliff e autore corrispondente dello studio. “Tutto quello che dovevamo fare era spostare un singolo gene, e alla luce crescevano il 2% più velocemente che al buio. Senza alcuna messa a punto o attenta persuasione, ha funzionato”.

Dotare facilmente il lievito di un tratto così importante dal punto di vista evolutivo potrebbe significare grandi cose per la nostra comprensione di come ha avuto origine questo tratto e di come può essere utilizzato per studiare cose come la produzione di biocarburanti, l’evoluzione e l’invecchiamento cellulare.

Alla ricerca di una sferzata di energia

La ricerca è stata ispirata dal lavoro passato del gruppo che indagava sull’evoluzione della vita multicellulare. Il gruppo ha pubblicato il primo rapporto sul loro esperimento sull’evoluzione a lungo termine della multicellularità (MuLTEE). Natura l’anno scorso, scoprendo come il loro organismo modello unicellulare, il “lievito di fiocco di neve”, è stato in grado di evolvere la multicellularità nell’arco di 3.000 generazioni.

Nel corso di questi esperimenti sull’evoluzione è emersa una delle principali limitazioni per l’evoluzione multicellulare: l’energia.

“L’ossigeno ha difficoltà a diffondersi in profondità nei tessuti e di conseguenza si ottengono tessuti senza la capacità di ottenere energia”, afferma Burnetti. “Stavo cercando modi per aggirare questa limitazione energetica basata sull’ossigeno.”

Un modo per dare agli organismi una sferzata di energia senza utilizzare l’ossigeno è attraverso la luce. Ma la capacità di trasformare la luce in energia utilizzabile può essere complicata da un punto di vista evolutivo. Ad esempio, il meccanismo molecolare che consente alle piante di utilizzare la luce per produrre energia coinvolge 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.

Mantenerlo semplice

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

“Le rodopsine si trovano in tutto l’albero della vita e apparentemente vengono acquisite da organismi che ottengono geni gli uni dagli altri nel corso del tempo evolutivo”, afferma Autumn Peterson, Ph.D. in biologia. studente che lavora con Ratcliff e autore principale dello studio.

Questo tipo di scambio genetico è chiamato trasferimento genico orizzontale e comporta la condivisione di informazioni genetiche tra organismi non strettamente correlati. Il trasferimento genico orizzontale può causare salti evolutivi apparentemente grandi in breve tempo, proprio come i batteri che riescono rapidamente a sviluppare resistenza a determinati antibiotici. Ciò può accadere con tutti i tipi di informazioni genetiche ed è particolarmente comune con le proteine ​​della rodopsina.

“Nel processo di ricerca di un modo per inserire le rodopsine nel lievito multicellulare”, spiega Burnetti, “abbiamo scoperto che potevamo conoscere il trasferimento orizzontale delle rodopsine che si è verificato nel corso dell’evoluzione nel passato, trasferendolo in lieviti regolari, unicellulari. lievito dove non è mai stato prima.”

Per vedere se potevano dotare un organismo unicellulare di rodopsina alimentata dall’energia solare, i ricercatori hanno aggiunto un gene della rodopsina sintetizzato da un fungo parassita al comune lievito di birra. Questo gene specifico è codificato per una forma di rodopsina che verrebbe inserita nel vacuolo della cellula, una parte della cellula che, come i mitocondri, può trasformare in energia i gradienti chimici prodotti da proteine ​​come la rodopsina.

Dotato di rodopsina vacuolare, il lievito cresceva circa il 2% più velocemente quando acceso: un enorme vantaggio in termini di evoluzione.

“Qui abbiamo un singolo gene e lo stiamo semplicemente trascinando attraverso i contesti in un lignaggio che non è mai stato fototrofico prima, e funziona”, dice Burnetti. “Ciò dice che è davvero così facile per questo tipo di sistema, almeno qualche volta, svolgere il proprio lavoro in un nuovo organismo.”

Questa semplicità fornisce intuizioni evolutive chiave e dice molto sulla “facilità con cui le rodopsine sono state in grado di diffondersi attraverso così tanti lignaggi e sul perché potrebbe essere così”, spiega Peterson, che ha recentemente ricevuto un diploma dall’Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Gilliam Borsa di studio per il suo lavoro. Allo studio ha lavorato anche Carina Baskett, autrice di borse di studio per il Centro per le dinamiche microbiche e le infezioni della Georgia Tech.

Poiché la funzione vacuolare può contribuire all’invecchiamento cellulare, il gruppo ha anche avviato collaborazioni per studiare come le rodopsine potrebbero essere in grado di ridurre gli effetti dell’invecchiamento nel lievito. Altri ricercatori stanno già iniziando a utilizzare un nuovo lievito simile, alimentato a energia solare, per studiare il progresso della bioproduzione, che potrebbe segnare grandi miglioramenti per cose come la sintesi di biocarburanti.

Ratcliff e il suo gruppo, tuttavia, sono soprattutto interessati a esplorare come questo beneficio aggiuntivo potrebbe influenzare il viaggio del lievito unicellulare verso un organismo multicellulare.

“Abbiamo questo bellissimo sistema modello di multicellularità semplice”, afferma Burnetti, riferendosi al pluriennale Multicellularity Long-Term Evolution Experiment (MuLTEE). “Vogliamo dargli la fototrofia e vedere come cambia la sua evoluzione.”