Usando luz para controlar la actividad genética en levaduras

La luz es una parte importante de nuestro mundo. Afecta cómo se comportan y crecen los seres vivos. Diferentes organismos usan la luz de varias maneras para ayudarles a hacer cosas como crecer, moverse o incluso producir su propio alimento. Un grupo especial de proteínas llamado proteínas fotosensibles captura la luz. Estas proteínas pueden cambiar cuando absorben luz, lo que lleva a cambios en cómo reaccionan los organismos.

#¿Qué son las Proteínas Fotosensibles?

Las proteínas fotosensibles son como pequeños interruptores que se activan cuando ven luz. Absorben luz y pasan por una serie de cambios dentro de ellas. Este cambio puede desencadenar otras acciones dentro del organismo. Por ejemplo, una proteína específica llamada EL222 puede detectar luz azul. Cuando lo hace, cambia de forma y ayuda al organismo a activar genes que podrían ser necesarios en ese momento.

#Estructura de EL222

EL222 está hecha de dos partes principales. Una parte siente la luz y la otra hace el trabajo, como encender un interruptor de luz en una habitación. La primera parte se llama dominio sensorial, que reacciona a la luz, mientras que la segunda parte es el dominio efector, que ayuda a unirse al ADN, las instrucciones para construir proteínas.

En la oscuridad, EL222 no puede unirse al ADN porque tiene una forma que le impide hacerlo. Cuando la luz azul brilla sobre ella, EL222 cambia de forma y puede unirse al ADN, permitiéndole activar genes específicos. Este proceso es reversible, lo que significa que puede encenderse y apagarse cuando hay luz disponible o no.

#Cómo se Usa EL222 en Ciencia

Los científicos han aprendido a usar EL222 en laboratorios para controlar genes en células vivas. Al iluminar células que tienen EL222, los investigadores pueden activar o desactivar genes. La luz actúa como un disparador, permitiéndoles estudiar cómo funcionan los genes sin cambiar nada más en la célula. Este método se llama optogenética.

En algunos experimentos, los científicos modificaron EL222 añadiendo nuevas partes. Crearon una versión llamada VP-EL222, que puede moverse al núcleo de las células, donde está el ADN, y activar genes cuando hay luz presente. Esta versión modificada se ha utilizado ampliamente en investigaciones.

#Trabajando con Levadura

Un organismo popular para estos experimentos es la levadura. La levadura es fácil de cultivar en un laboratorio y se puede usar para entender muchos procesos biológicos básicos. Los científicos han utilizado VP-EL222 en levadura para estudiar cómo ciertos genes se controlan bajo diferentes condiciones, como la presencia de nutrientes.

Por ejemplo, cuando la levadura tiene suficiente fosfato, un nutriente, ciertos genes están apagados. Pero cuando el fosfato es bajo, esos genes se activan. Al usar luz y el VP-EL222, los investigadores pueden activar estos genes para estudiar cómo responde la levadura a diferentes niveles de fosfato.

#Fosfato y Control Genético

El gen PHO5 en levadura es responsable de descomponer fosfato. Cuando hay abundante fosfato, el gen está apagado porque la levadura no necesita producir más de la enzima que lo descompone. Sin embargo, cuando los niveles de fosfato bajan, la levadura debe activar el gen PHO5 para absorber lo que necesita.

La forma en que la levadura activa este gen involucra varios pasos. Primero, una proteína llamada Pho4 debe entrar al núcleo y unirse a sitios específicos en el gen PHO5. Cuando el fosfato es bajo, Pho4 se activa y lleva consigo ayudantes para volver a encender el gen. Este proceso es complejo y involucra cambios en la estructura del ADN y proteínas dentro de la célula.

#Lo Que Hicieron los Científicos

Los investigadores tomaron el sistema VP-EL222 y lo añadieron a la levadura. Al iluminar la levadura con luz azul, pudieron activar el gen PHO5 incluso cuando había fosfato disponible. También miraron otro gen, PHO84, que también responde al fosfato. Entender estos procesos ayuda a los científicos a aprender cómo las células reaccionan a su entorno.

En sus experimentos, los científicos combinaron VP-EL222 con diferentes proteínas para ver si podían mejorar su capacidad de controlar estos genes. Crearon diferentes versiones de EL222, algunas de las cuales incluían proteínas más grandes. Esto ayudaría a determinar cuánto carga adicional podría llevar EL222 sin perder su capacidad de funcionar eficazmente.

#Usando CRISPR para Edición Genética

Para hacer sus experimentos más efectivos, los científicos utilizaron una herramienta llamada CRISPR. Esta tecnología les permite editar genes directamente en el ADN de la levadura. Insertaron el sitio de unión para VP-EL222 cerca de los genes PHO5 y PHO84 para que, cuando se aplicara luz, pudieran encender fácilmente esos genes.

A través del proceso, descubrieron que añadir VP-EL222 no cambiaba cómo se comportaban normalmente los genes PHO5 y PHO84. Continuaban expresando los genes según fuera necesario, dependiendo de los niveles de fosfato presentes. Esto significa que usar EL222 no interfería con cómo la levadura responde naturalmente al fosfato.

#Midiendo la Actividad Génica

Para ver qué tan bien se estaban activando los genes, los investigadores midieron los niveles de ARN producidos por estos genes. El ARN es la molécula que le dice a la célula cómo hacer proteínas. Al cuantificar el ARN, podían determinar si los genes se estaban expresando correctamente en respuesta a la luz.

Los científicos encontraron que cuando la levadura era iluminada con luz azul, el gen PHO5 producía una cantidad significativa de ARN en comparación con cuando estaba en la oscuridad. El nivel variaba según la disponibilidad de fosfato. En condiciones de alto fosfato, observaron menos producción de ARN en general, mientras que en condiciones de bajo fosfato se permitía mucha más actividad genética.

#El Papel de Proteínas Adicionales

Además de VP-EL222, los investigadores también probaron otras proteínas que podían vincularse con EL222 para manipular aún más la expresión génica. Crearon fusiones de EL222 con diferentes proteínas, incluidos activadores y represores transcripcionales. Los activadores ayudan a encender genes, y los represores ayudan a apagarlos.

Algunos de sus experimentos involucraron proteínas que ya son parte del sistema de la levadura. Al adjuntarlas a EL222, los científicos aspiraban a crear un sistema que fuera más eficiente y reflejara la biología natural de la levadura. Descubrieron que, aunque algunas combinaciones funcionaron bien, otras no funcionaron como se esperaba, lo que destaca la complejidad de trabajar con estos sistemas.

#Resultados de Experimentos

Tras numerosas pruebas, los investigadores concluyeron que diferentes combinaciones de EL222 y sus socios mostraron eficacia variable en el control de la expresión génica. VP-EL222 solo pudo activar eficazmente el gen PHO5 en condiciones de bajo fosfato, pero tuvo algunas dificultades en escenarios de alto fosfato.

En contraste, al adjuntar una proteína nativa de levadura como Pho4 a EL222, se permitió un control mucho más claro sobre el gen PHO5. Esto significa que usar proteínas nativas a veces puede dar mejores resultados que usar sintéticas.

Los resultados también mostraron que la posición de los sitios de unión en relación con el gen mismo juega un papel crítico en la eficiencia del sistema. Cuanto más cerca esté el sitio de unión del gen, más efectiva será la activación inducida por la luz.

#Observaciones sobre Represión Génica

Además de activar genes, los investigadores probaron si podían reprimir con éxito la actividad génica usando EL222. Crearon una fusión de EL222 con una proteína corepresora, Ume6, que normalmente está involucrada en apagar genes durante condiciones específicas.

Usando este nuevo constructo, encontraron que podían bajar la expresión del gen PHO5 incluso en condiciones de bajo fosfato. Esta capacidad de reprimir la expresión génica añade otra capa a cómo los investigadores imaginan controlar la actividad génica en la levadura y potencialmente en otros organismos.

#Conclusión

El trabajo realizado con EL222 y la manipulación de la luz proporciona una visión valiosa sobre cómo se puede controlar la expresión génica en organismos vivos. Al usar la luz como un disparador, los científicos pueden estudiar procesos biológicos complejos de manera controlada.

La mejora continua de estas técnicas ayuda a los investigadores a descubrir principios biológicos fundamentales que gobiernan cómo las células responden a su entorno. Este entendimiento tiene el potencial de aplicaciones más amplias en biotecnología, biología sintética y medicina, ya que el control génico específico puede llevar a innovaciones en cómo diseñamos organismos para tareas específicas.

Estudios como estos muestran la relación entrelazada de proteínas, ADN, luz y el entorno, y cómo juntos forman la base de la intrincada danza de la vida.