Enzimas que se pueden controlar con luz azul

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La luz afecta a los organismos vivos de muchas maneras diferentes: por ejemplo, las plantas orientan su dirección de crecimiento hacia el sol, mientras que los ritmos circadianos en los humanos están controlados por la luz del día. Estos procesos siempre involucran fotorreceptores, que son proteínas que pueden detectar diferentes colores e intensidades de luz.

Ahora, investigadores de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz) han descifrado la función de un fotorreceptor altamente eficiente. Sus hallazgos han sido publicados en la revista Science Advances. El equipo de investigación estudió una proteína diguanilato ciclasa que se encuentra en muchas bacterias. Su función enzimática regula la producción de una sustancia mensajera central que controla la forma en que viven las bacterias. En la oscuridad, la proteína está casi completamente inactiva, pero tan pronto como se expone a los componentes azules de la luz del día, su actividad enzimática aumenta rápidamente. "La actividad enzimática de la proteína es aproximadamente 10.000 veces mayor cuando se expone a la luz que en la oscuridad", afirmó Andreas Winkler, jefe del grupo de trabajo de fotobioquímica del Instituto de Bioquímica de TU Graz. En la mayoría de los fotorreceptores, la actividad aumenta en un factor de entre 5 y 50, lo que resulta en cambios más graduales en la actividad de la proteína. "Por el contrario, la proteína que caracterizamos reacciona muy fuertemente, por lo que en realidad funciona como un interruptor de encendido y apagado", explicó Winkler. Un interruptor de proteína eficiente como este podría se utilizará en el futuro para mejorar y optimizar las herramientas optogenéticas.

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Los investigadores ahora han descubierto la arquitectura y función del interruptor de proteína. La proteína consta de dos partes funcionales: una es responsable de la percepción de la luz azul y la otra de la actividad enzimática propiamente dicha, que sirve como catalizador de una reacción química. Si se expone a la luz azul, la proteína cambia su estructura. Cuando está inactiva, toda la proteína se encuentra en forma compacta, pero cuando entra en contacto con la luz, la proteína se estira, conectando las partes enzimáticas previamente separadas. Luego, la proteína produce moléculas mensajeras específicas que indican a la bacteria que las condiciones ambientales están cambiando. Si es posible, la bacteria se adapta a estas nuevas condiciones. "Un ejemplo de ello es la formación de agregados, llamados biopelículas, que hacen que las bacterias sean más resistentes a las influencias ambientales", explicó Andreas Winkler.

"Estoy muy entusiasmada de que nuestra investigación haya generado información valiosa sobre el mecanismo de esta fascinante proteína", comentó Uršula Vide, primera autora del estudio y estudiante de doctorado en el Instituto de Bioquímica de TU Graz. "Comprender el mecanismo detrás de esta luz El interruptor enzimático activado abre la puerta a posibles aplicaciones en una variedad de disciplinas diferentes”. Uno de ellos es el de los métodos de tratamiento optogenéticos utilizados en medicina: los fármacos vinculados a un interruptor proteico regulado por la luz podrían surtir efecto en un momento preciso y sólo en una zona muy limitada del cuerpo, lo que reduciría los posibles efectos secundarios. El interruptor de proteína también sería beneficioso para la investigación en biología celular, ya que permitiría provocar cambios específicos a nivel molecular que luego podrían analizarse de manera más efectiva: "Pero todavía estamos muy lejos de las aplicaciones prácticas de este interruptor en particular". ”, señaló Winkler, aunque cree que la investigación de su equipo ha aportado algunas ideas importantes y fundamentales.

Para sus experimentos, los investigadores no aislaron la proteína de la bacteria original, sino que la produjeron en el laboratorio con ayuda de ingeniería genética. Utilizaron difracción de rayos X para analizar la estructura molecular, lo que sirvió de base para un modelo tridimensional. Combinado con experimentos complementarios, este modelo permitió a los investigadores hacer inferencias sobre los cambios en la estructura de la proteína tras la exposición a la luz azul, lo que se tradujo en conclusiones específicas sobre la función molecular del interruptor biológico.

Referencia: Vide U, Kasapović D, Fuchs M, et al. Iluminando el funcionamiento interno de un interruptor de proteína natural: detección de luz azul en diguanilato ciclasas activadas por LOV. Ciencia avanzada. 2023;9(31):eadh4721. doi: 10.1126/sciadv.adh4721

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