As proteínas verdes da rodopsina dentro das paredes das células azuis ajudam essas leveduras a crescer mais rapidamente quando expostas à luz. Crédito: Anthony Burnetti, Instituto de Tecnologia da Geórgia
A levedura é frequentemente conhecida pela sua capacidade de fermentar hidratos de carbono em produtos como pão e cerveja, normalmente exigindo um ambiente escuro. A exposição à luz nestas situações pode atrapalhar ou prejudicar o processo de fermentação.
No entanto, um estudo recente publicado em Biologia Atual por pesquisadores da Escola de Ciências Biológicas da Georgia Tech apresenta um desenvolvimento inovador: eles desenvolveram uma das primeiras cepas de levedura que podem ficar mais felizes com as luzes acesas.
“Ficamos francamente chocados com o quão simples foi transformar a levedura em fototróficos (organismos que podem aproveitar e usar a energia da luz)”, diz Anthony Burnetti, um cientista pesquisador que trabalha no laboratório do professor associado William Ratcliff e autor correspondente do estudo. “Tudo o que precisávamos fazer era mover um único gene, e eles cresceram 2% mais rápido na luz do que no escuro. Sem qualquer ajuste fino ou persuasão cuidadosa, simplesmente funcionou.”
Equipar facilmente a levedura com uma característica evolutivamente importante pode significar grandes coisas para a nossa compreensão de como esta característica se originou – e como ela pode ser usada para estudar coisas como produção de biocombustíveis, evolução e envelhecimento celular.
Biologia Ph.D. a estudante Autumn Peterson, autora principal do estudo, observa células de levedura com o cientista pesquisador Anthony Burnetti, autor correspondente do estudo, no laboratório. Crédito: Audra Davidson, Instituto de Tecnologia da Geórgia
Procurando um aumento de energia
A pesquisa foi inspirada no trabalho anterior do grupo investigando a evolução da vida multicelular. O grupo publicou seu primeiro relatório sobre seu Experimento de Evolução de Longo Prazo de Multicelularidade (MuLTEE) em Natureza no ano passado, descobrindo como seu organismo modelo unicelular, “levedura de floco de neve”, foi capaz de desenvolver a multicelularidade ao longo de 3.000 gerações.
Ao longo destas experiências de evolução, apareceu uma limitação importante para a evolução multicelular: a energia.
“O oxigênio tem dificuldade em se difundir profundamente nos tecidos e, como resultado, você obtém tecidos sem a capacidade de obter energia”, diz Burnetti. “Eu estava procurando maneiras de contornar essa limitação energética baseada no oxigênio.”
Uma maneira de aumentar a energia dos organismos sem usar oxigênio é por meio da luz. No entanto, a capacidade de transformar luz em energia utilizável pode ser complicada do ponto de vista evolutivo. Por exemplo, a maquinaria molecular que permite às plantas utilizar a luz como energia envolve uma série de genes e proteínas que são difíceis de sintetizar e transferir para outros organismos – tanto no laboratório como naturalmente através da evolução.
Felizmente, as plantas não são os únicos organismos que podem converter luz em energia.
Mantendo tudo simples
Uma maneira mais simples de os organismos usarem a luz é com rodopsinas: proteínas que podem converter luz em energia sem maquinaria celular adicional.
“As rodopsinas são encontradas em toda a árvore da vida e aparentemente são adquiridas por organismos que obtêm genes uns dos outros ao longo do tempo evolutivo”, diz Autumn Peterson, Ph.D. em biologia. estudante que trabalha com Ratcliff e principal autor do estudo.
Este tipo de troca genética é chamado de transferência horizontal de genes e envolve o compartilhamento de informações genéticas entre organismos que não estão intimamente relacionados. A transferência horizontal de genes pode causar saltos evolutivos aparentemente grandes em um curto espaço de tempo, como a forma como as bactérias são rapidamente capazes de desenvolver resistência a certos antibióticos. Isto pode acontecer com todos os tipos de informação genética e é particularmente comum com proteínas rodopsina.
Os pesquisadores de biologia da Georgia Tech que trabalharam no estudo incluem (da esquerda para a direita) o professor assistente da Escola de Ciências Biológicas William Ratcliff, a redatora da bolsa do Centro de Dinâmica Microbiana e Infecção, Carina Baskett, Ph.D. a estudante Autumn Peterson (autora principal) e o cientista pesquisador Anthony Burnetti (autor correspondente). Crédito: Audra Davidson, Instituto de Tecnologia da Geórgia
“No processo de descobrir uma maneira de transformar rodopsinas em leveduras multicelulares”, explica Burnetti, “descobrimos que poderíamos aprender sobre a transferência horizontal de rodopsinas que ocorreu ao longo da evolução no passado, transferindo-as para formas unicelulares regulares. fermento onde nunca esteve antes.”
Para ver se conseguiriam equipar um organismo unicelular com rodopsina movida a energia solar, os pesquisadores adicionaram um gene da rodopsina sintetizado a partir de um fungo parasita ao fermento de padeiro comum. Este gene específico é codificado para uma forma de rodopsina que seria inserida no vacúolo da célula, uma parte da célula que, como as mitocôndrias, pode transformar gradientes químicos produzidos por proteínas como a rodopsina em energia.
Equipada com rodopsina vacuolar, a levedura cresceu cerca de 2% mais rápido quando acesa – um enorme benefício em termos de evolução.
“Aqui temos um único gene, e estamos apenas transportando-o através de contextos para uma linhagem que nunca foi fototrófica antes, e simplesmente funciona”, diz Burnetti. “Isto diz que é realmente muito fácil para este tipo de sistema, pelo menos às vezes, fazer o seu trabalho num novo organismo.”
Essa simplicidade fornece insights evolutivos importantes e diz muito sobre “a facilidade com que as rodopsinas foram capazes de se espalhar por tantas linhagens e por que isso acontece”, explica Peterson, que Peterson recebeu recentemente um Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Gilliam Bolsa pelo seu trabalho. Carina Baskett, redatora do Centro de Dinâmica Microbiana e Infecção da Georgia Tech, também trabalhou no estudo.
Como a função vacuolar pode contribuir para o envelhecimento celular, o grupo também iniciou colaborações para estudar como as rodopsinas podem reduzir os efeitos do envelhecimento na levedura. Outros investigadores já estão a começar a utilizar novas leveduras semelhantes, movidas a energia solar, para estudar o avanço da bioprodução, o que poderá marcar grandes melhorias em coisas como a síntese de biocombustíveis.
Ratcliff e seu grupo, no entanto, estão mais interessados em explorar como esse benefício adicional poderia impactar a jornada da levedura unicelular até um organismo multicelular.
“Temos este lindo sistema modelo de multicelularidade simples”, diz Burnetti, referindo-se ao longo prazo Experimento de Evolução de Longo Prazo de Multicelularidade (MuLTEE). “Queremos dar-lhe fototrofia e ver como muda a sua evolução.”
Referência: “Transformando levedura em fotoheterotrófico facultativo via expressão de rodopsina vacuolar” por Autumn Peterson, Carina Baskett, William C. Ratcliff e Anthony Burnetti, 12 de janeiro de 2024, Biologia Atual.
DOI: 10.1016/j.cub.2023.12.044
O estudo foi financiado pela National Science Foundation e pela David and Lucile Packard Foundation.
