As primeiras células de levedura do mundo capazes de aproveitar a energia da luz

Levedura é um conteúdo do organismo que pode converter carboidratos em produtos como pão e cerveja por meio de fermentação na ausência de luz. A exposição à luz pode interferir ou arruinar esse processo em alguns casos. É por isso que o fermento é frequentemente mantido em locais escuros quando usado para esses fins.

Pesquisadores da Escola de Ciências Biológicas da Georgia Tech projetaram uma das primeiras células de levedura do mundo capazes de aproveitar a energia da luz, expandindo nossa compreensão da evolução dessa característica e abrindo caminho para avanços na produção de biocombustíveis e no envelhecimento celular.

“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 poderia ser um grande avanço na nossa compreensão de como certas características se originaram e como podem ser usadas em diversas aplicações, como produção de biocombustíveis, evolução e envelhecimento celular.

Esta pesquisa foi inspirada no trabalho anterior do grupo sobre a evolução da vida multicelular, particularmente em seus experimentos com levedura de floco de neve. A pesquisa revela como seu organismo modelo unicelular, “levedura de floco de neve”, foi capaz de desenvolver a multicelularidade ao longo de 3.000 gerações. Uma limitação importante para a evolução multicelular apareceu ao longo desses experimentos de evolução: 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.

Embora as plantas sejam conhecidas pela sua capacidade de utilizar a luz como energia, nem sempre é fácil transferir esta capacidade para outros organismos. Isso ocorre porque o processo envolve um conjunto complexo de genes e proteínas que são difíceis de sintetizar e transferir.

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 fascinante e é chamada de transferência horizontal de genes. Envolve o compartilhamento de informações genéticas entre organismos que não estão intimamente relacionados. A transferência horizontal de genes pode causar mudanças evolutivas aparentemente significativas em um curto espaço de tempo. Por exemplo, as bactérias são capazes de desenvolver rapidamente resistência a certos antibióticos. Este tipo de transferência genética pode ocorrer com todos os tipos de informação genética, e as proteínas rodopsina são particularmente suscetíveis a isso.

“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-a para uma levedura unicelular regular, onde nunca esteve antes.”

Os cientistas queriam testar se conseguiriam fazer um organismo unicelular usar energia solar com rodopsina, uma proteína que pode capturar luz. Eles pegaram um gene da rodopsina de um fungo prejudicial e o colocaram em uma levedura comum. O gene fez com que a levedura produzisse rodopsina em seu vacúolo, uma parte da célula que pode usar proteínas como a rodopsina para produzir energia a partir de diferenças químicas. A levedura com rodopsina vacuolar cresceu cerca de 2% mais rápido quando exposta à luz, o que é uma grande vantagem para a sobrevivência.

Esta 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 pode acontecer”, explica Peterson.

Para investigar isso, os pesquisadores estão colaborando para estudar como as rodopsinas poderiam reduzir potencialmente os efeitos do envelhecimento nas leveduras. A levedura movida a energia solar também está sendo utilizada por outros cientistas para melhorar a bioprodução, como a síntese de biocombustíveis. No entanto, Ratcliff e sua equipe estão principalmente interessados ​​em examinar como esse benefício adicional poderia afetar a transição da levedura de um organismo unicelular para um organismo multicelular.

“Temos este lindo sistema modelo de multicelularidade simples”, diz Burnetti, referindo-se ao Experimento de Evolução de Longo Prazo de Multicelularidade (MuLTEE). “Queremos dar-lhe fototrofia e ver como muda a sua evolução.”