Agricultura Estados Unidos Hongos y Algas

Entendiendo los ritmos circadianos en algas y hongos


Hongos, algas y cianobacterias no se quejan del jet lag. Pero al igual que los humanos, sus fisiologías se adhieren a un ciclo de aproximadamente 24 horas de patrones de comportamiento en ausencia de señales externas. 


Rachel Berkowitz, Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales


Los organismos que experimentan ciclos recurrentes de día y noche han desarrollado un oscilador bioquímico o un reloj circadiano. Este reloj determina qué actividades, desde el sueño hasta el metabolismo celular, ocurren en momentos biológicamente ventajosos.

Dado que casi todos los organismos comparten un ritmo circadiano, los biólogos tienen una gran cantidad de oportunidades genéticamente manejables para estudiarlo en el laboratorio. La investigación se ha centrado en cómo los cambios en los genes transcritos pueden llevar a la expresión de diferentes proteínas a lo largo del ciclo de 24 horas. La expresión cíclica o «rítmica» dictada por el reloj circadiano permite a los organismos anticipar los cambios ambientales regulares al optimizar el complemento de proteínas presentes en un momento dado.

Las capacidades únicas ofrecidas por EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) en Richland, Washington, brindan a los biólogos la oportunidad de estudiar con detalles sin precedentes cómo cambian las proteínas y las vías metabólicas El curso de un día. El interés de la Oficina de Investigación Biológica y Medioambiental (BER) del DOE en mejorar la robustez y la resistencia de las plantas y hongos de biocombustibles ha motivado varias investigaciones recientes sobre los impulsores del ritmo circadiano.

De las cianobacterias a los ritmos circadianos.

La participación de EMSL en la investigación del ritmo circadiano tiene su origen en el programa Grand Challenges de EMSL. En 2005, Himadri Pakrasi, profesor de biología en la Universidad de Washington en St Louis, trabajó con David Koppenaal, director de tecnología de PNNL, y juntos utilizaron los recursos que este programa puso a disposición para comenzar a desarrollar modelos de cianobacterias a nivel de sistemas. Pakrasi respondió a una convocatoria de propuestas de EMSL en 2010, que llevó a la Campaña de Investigación de Biología Sintética y una serie de publicaciones sobre cómo optimizar los microorganismos fotosintéticos genéticamente para la producción de biomasa.

«Las cianobacterias son las únicas procariotas conocidas que tienen un ritmo circadiano como nosotros», dice Pakrasi.

Los microbios fotosintéticos generadores de oxígeno son los principales contribuyentes a los ciclos globales de carbono y nitrógeno, y la implementación de ritmos diarios mediante un reloj circadiano para controlar la fisiología celular permite que estos organismos se adapten a los cambios ambientales, incluidos la luz y la temperatura. Pakrasi señala que mientras los investigadores que estudian cianobacterias han observado durante mucho tiempo los procesos diarios rítmicos, la comunidad de investigadores pensó que los organismos «carecían de la complejidad necesaria para los relojes biológicos». Sin embargo, las observaciones de oscilaciones en funciones celulares como la fijación de nitrógeno han demostrado que las cianobacterias cumplen los criterios para un oscilador circadiano.

Pakrasi y sus colegas continúan su trabajo para comprender cómo se controlan los procesos diarios de las cianobacterias, incluidos los mecanismos que regulan el rápido crecimiento celular, la captación de luz y el control celular redox. Su trabajo hace uso de la proteómica comparativa, comparando los cambios en todo el complemento de proteínas expresadas por un organismo. Tales mediciones requieren la instrumentación especializada y los conjuntos de habilidades de EMSL.

«Las mediciones de proteómica y metabolómica son dos conjuntos de datos que muchas instituciones simplemente no pueden hacer», dice William Cannon, biólogo de sistemas de PNNL.

Entendiendo los ritmos circadianos en algas y hongos.
De las proteínas circadianas que varían durante un período de 24 horas en la vida de Neurospora, solo el 60% correspondió a cambios en el ARN. Las proteínas circadianas dictan qué procesos metabólicos ocurren en diferentes momentos del día Imagen adaptada de Hurley et al.

No solo genes

Los biólogos Jennifer Hurley, del Instituto Politécnico de Rensselaer, y Jay Dunlap, de la Facultad de Medicina de Geisel en Dartmouth, conocieron las capacidades proteómicas de EMSL del biólogo principal de las instalaciones del usuario, Scott Baker. Presentaron una propuesta para investigar el proteoma de un hongo con un reloj circadiano como el de los humanos.

En todas las células vivas, el ADN se transcribe en ARN en el núcleo. El ARN transcrito, el transcriptoma, sale del núcleo hacia el citoplasma, donde se traduce en proteínas. La explicación más simple para los ritmos circadianos es que si se transcribe más ARN en un momento del día que en otro, entonces debería haber más de ciertas proteínas en ciertos momentos del día. Pero eso no siempre es cierto.

«Comenzamos a aprender que no podemos confiar en lo que vimos en el transcriptoma para predecir de manera confiable el proteoma», dice Hurley.

Los investigadores enviaron muestras de Neurospora crassa, un organismo valorado por su capacidad para producir celulosa para biocombustibles, a EMSL. Allí, Erika Zink y Sam Purvine rompieron las células, extrajeron las proteínas y analizaron las muestras utilizando técnicas avanzadas de espectrometría de masas.

«Estamos descubriendo las cantidades relativas de pares de proteínas y buscando tendencias generales que cambian con el tiempo», dice Purvine.

Para los ritmos circadianos , eso significa rastrear qué niveles de proteínas cambian significativamente en las células extraídas de las cámaras de crecimiento cada dos horas durante un período de 48 horas.

Hurley y Dunlap encontraron un patrón sorprendente en los datos proteómicos. De las proteínas que aumentaron y disminuyeron durante un período de 24 horas en la vida de Neurospora, solo el 60 por ciento correspondió a cambios en el transcriptoma. El resto de las proteínas variaban a pesar del correspondiente ARN que no oscilaba.

«Eso es un 40 por ciento del proteoma que nunca sabrías que era rítmico si solo observaras el transcriptoma», dice Dunlap.

Entendiendo los ritmos circadianos en algas y hongos.
La cepa mutante de la «banda» de Neurospora forma un grupo de esporas una vez al día. Aquí se muestran muestras replicadas de la misma cepa. Los intervalos entre las líneas azules horizontales muestran el valor de un día de crecimiento. Crédito: Jennifer Hurley

La primera hipótesis de los investigadores sobre la falta de correspondencia entre el proteoma y el transcriptoma fue que la degradación de las proteínas sigue un ritmo circadiano. En su lugar, encontraron la respuesta en la tasa de traducción.

«En algún momento del día, las células producen proteínas a partir del ARN más rápido que en otras ocasiones», dice Dunlap.

La sincronización de estas proteínas conduce a la coordinación de diferentes vías metabólicas que son vitales para la función general de la célula.

El trabajo destacó la necesidad de estudiar el proteoma para comprender cómo el reloj circadiano regula la salida metabólica de un organismo. Las investigaciones futuras investigarán cómo la retroalimentación metabólica puede alterar la regulación del ritmo circadiano; y en el largo plazo, si el reloj circadiano es una adaptación evolutiva al metabolismo.

Vías inesperadas

Al igual que Neurospora, el alga verde unicelular Chlamydomonas reinhardtiis tiene potencial para crear biocombustibles. La bioquímica Sabeeha Merchant, de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), estudia cómo la biología molecular del organismo responde a los ciclos de luz y oscuridad; Específicamente, cómo una célula decide cuándo dividirse en dos. Trabajó en varias otras publicaciones con el personal de EMSL y buscó la experiencia del usuario para aprender sobre el proteoma de Chlamydomonas.

El comerciante y científico del proyecto de la UCLA Daniela Strenkert cultivó Chlamydomonas en un ciclo de luz-oscuridad de 12 horas para establecer un cultivo sincrónico de células. El ciclo aseguró que cada una de millones de células se dividiera una vez cada 24 horas. El sistema experimental permitió a los investigadores observar el orden secuencial de eventos y rutas durante el proceso de división celular, amplificado millones de veces.

Merchant, Strenkert y su equipo extrajeron el ARN de las células cada dos horas en el transcurso de un ciclo diurno, un ciclo de luz / oscuridad de 24 horas causado por la rotación diaria de la Tierra, y determinaron el transcriptoma.

«No sabes si hay alguna proteína presente cuando ves el ARN», dice Merchant. «Necesitas validarlo observando el proteoma».

Entendiendo los ritmos circadianos en algas y hongos.
En un ciclo de 24 horas, el ciclo de crecimiento de Chlamydomonas es impulsado por cambios en condiciones de luz y oscuridad. Crédito: Merchant et al.

Con los datos de proteómica proporcionados por Purvine y Mary Lipton en EMSL, Merchant analizó cómo el transcriptoma se comparaba con las mediciones de pigmentos, metabolitos y cambios fisiológicos. Los investigadores descubrieron que el 85 por ciento del genoma de Chlamydomonas se expresaba de manera diferente a lo largo del día para coordinar el crecimiento celular antes de la división celular. El momento de los cambios en los genes fue dictado por su función biológica; por ejemplo, un factor sigma que promueve la transcripción en el cloroplasto aumentó en la oscuridad, justo antes de que se encendiera la luz.

Las vías metabólicas, también, siguieron un ciclo diurno. Como se esperaba para cualquier célula fotosintética, las Chlamydomonas almacenaron carbono en forma de glucosa o almidón durante el día y rompieron el almidón durante la noche para producir piruvato. Los investigadores esperaban que las células luego extrajeran más energía del piruvato por su completa oxidación acoplada a la respiración. En la respiración, las moléculas de cofactor (NADH) producidas durante la oxidación del piruvato se regeneran con oxígeno, lo que permite que un organismo extraiga aún más energía.

Pero para sorpresa de los investigadores, Chlamydomonas no se involucraba en la respiración en la oscuridad. Más bien, las células tienen otra opción para metabolizar el piruvato en ausencia de oxígeno. En la fermentación, un organismo metaboliza el piruvato por conversión a lactato.

«Este es el mismo proceso que ocurre en nuestros músculos cuando nos quedamos sin oxígeno», dice Merchant. «Pensamos que darles suficiente oxígeno significaba que siempre usarían la respiración».

Incluso con abundante oxígeno, las algas se involucraron en una vía de fermentación.

El equipo propuso posibles explicaciones para la vía sorprendente: las células pueden no requerir mucha energía en la oscuridad y la velocidad puede tener prioridad sobre la generación de energía. El metabolismo del piruvato por fermentación puede ser más rápido que el metabolismo del piruvato acoplado a la respiración. O bien, las algas pueden elegir deliberadamente la fermentación para que puedan proporcionar productos de fermentación para otros microbios en su entorno como una forma de interacción cooperativa.

Los conjuntos de datos proteómicos y transcriptómicos detallados que se originan en estos proyectos serán un recurso valioso mientras la comunidad de investigación explora cómo los relojes circadianos conducen a la coordinación de diferentes vías metabólicas que son vitales para la función general de una célula.


Más información: Jennifer M. Hurley et al. El análisis proteómico circadiano revela mecanismos de regulación postranscripcional en vías metabólicas, sistemas celulares (2018). DOI: 10.1016 / j.cels.2018.10.014

Daniela Strenkert et al. Resolución multómica de eventos moleculares durante un día en la vida de Chlamydomonas, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2019). DOI: 10.1073 / pnas.1815238116

Michelle Liberton et al. El truncamiento de ficobilisoma causa cambios generalizados de proteoma en Synechocystis sp. PCC 6803, PLOS UNO (2017). DOI: 10.1371 / journal.pone.0173251

Jingjie Yu et al. Synechococcus elongatus UTEX 2973, un chasis de cianobacterias de rápido crecimiento para biosíntesis con luz y CO 2 , Scientific Reports (2015). DOI: 10.1038 / srep08132

Jia Guo et al. La modulación clara / oscura de la oxidación del tiol en la cianobacteria revelada por la proteómica redox específica de sitio cuantitativa, proteómica celular y molecular (2014). DOI: 10.1074 / mcp.M114.041160Información de la revista: Cell Systems , Actas de la Academia Nacional de Ciencias , PLoS ONE , Informes científicos , Proteómica molecular y celular.Proporcionado por el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales

Leer más


Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *