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Ingeniería de bacterias para cosechar luz
Bacterias de laboratorio de uso común llamadas E. coli se puede convertir en organismos recolectores de luz en un solo paso genético, según una nueva investigación del MIT. La mejora genética permite que los microorganismos que normalmente obtienen su energía celular de los azúcares pasen a una dieta de luz solar. En última instancia, estos hallazgos podrían usarse para diseñar genéticamente bacterias que puedan producir de manera más eficiente biocombustibles, medicamentos y otras sustancias químicas.
Bacterias iluminadas: Las E. coli diseñadas para expresar la proteína proteorodopsina se muestran arriba bajo luz fluorescente. Cuando se activa con la longitud de onda de luz correcta, la proteína impulsa el motor flagelar de la célula, lo que le permite moverse. En este caso, la proteína absorbe la luz verde: cuando la luz verde se ilumina sobre la bacteria, esta se mueve (fila inferior). Cuando se enciende la luz roja, permanece estacionaria (fila superior).
Algunas bacterias, como las cianobacterias, utilizan la fotosíntesis para producir azúcares, al igual que las plantas. Pero otros tienen una capacidad recientemente descubierta para recolectar luz a través de un mecanismo diferente: usando proteínas activadas por luz conocidas como proteorrodopsinas, que son similares a las proteínas que se encuentran en nuestras retinas. Cuando la proteína se une a una molécula sensible a la luz llamada retina y recibe luz, bombea protones cargados positivamente a través de la membrana celular. Eso crea un gradiente eléctrico que actúa como fuente de energía, al igual que el voltaje o la fuerza electromotriz suministrada por las baterías.
Descubiertos por primera vez en organismos marinos en 2000, los científicos descubrieron recientemente que los genes del sistema de proteorhodopsina, esencialmente un módulo genético que incluye los genes que codifican tanto la proteína como las enzimas necesarias para producir la retina, se intercambian con frecuencia entre diferentes microorganismos en el océano. . (Si bien generalmente pensamos en genes que se transmiten de padres a hijos, los microorganismos pueden intercambiar fragmentos de ADN lateralmente).
Intrigados por la perspectiva de que una sola pieza de ADN es realmente todo lo que un organismo necesita para recolectar energía de la luz, los investigadores la insertaron en E. coli . Descubrieron que los microorganismos sintetizaban todos los componentes necesarios y los ensamblaban en la membrana celular, utilizando el sistema para generar energía. Todo lo que se necesita para obtener energía de la luz solar es ese fragmento de ADN, dice Ed Delong , profesor de ingeniería biológica en el MIT y autor del estudio. Los resultados fueron publicados la semana pasada en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
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Mire un video de una bacteria iluminada.
Los hallazgos tienen implicaciones tanto para la ecología marina como para la biología sintética, un campo emergente que tiene como objetivo diseñar y construir nuevas formas de vida que puedan realizar funciones útiles. Estudios genómicos gigantes del océano han descubierto que el sistema de rodopsina está sorprendentemente extendido. El hecho de que una sola transferencia genética pueda resultar en una funcionalidad completamente nueva ayuda a explicar cómo este módulo genético viajó tan ampliamente. De hecho, para los microbios, este tipo de intercambio de módulos puede ser la regla más que la excepción. Un nuevo paradigma está surgiendo en microbiología: [los microorganismos] son mucho más fluidos de lo que pensábamos, dice Ford Doolittle , Cátedra de Investigación de Canadá en genómica comparada en la Universidad de Dalhousie, en Nueva Escocia.
Estos hallazgos y otras investigaciones sobre proteorrodopsinas podrían proporcionar a los ingenieros biológicos una nueva herramienta con la que jugar. Un artículo publicado el mes pasado por Jan Liphardt y colegas de la Universidad de California, Berkeley, demostraron que E. coli Diseñado para tener una bomba de proteorrodopsina puede cambiar fácilmente entre fuentes de energía: cuando las bacterias carecen de su suministro de energía regular, utilizan energía de la luz para impulsar su motor flagelar, una cola giratoria que las bacterias usan para nadar. Cuanta más luz hay, más rápido va el motor.
Las bombas de rodopsina podrían eventualmente convertirse en microbios que se usan comúnmente para producir medicamentos y otras sustancias químicas. Estas fábricas de bacterias a veces se quedan sin energía. Usando estas bombas de protones impulsadas por luz, las bacterias pueden ser energizadas por la luz para aumentar sus rendimientos de metabolitos o sustancias farmacológicamente activas, dice John L. Spudich , profesor de microbiología y genética molecular en la Facultad de Medicina de la Universidad de Texas, en Houston. Un impulso de energía celular podría ser particularmente útil con la última tendencia en la producción de bacterias: la ingeniería de microbios para producir biocombustibles.
Es como crear un automóvil híbrido, dice el MIT Delong . En lugar de complementar el gas con energía almacenada en una batería, las células pueden complementar su metabolismo energético con luz.