No es fácil ser verde. Se necesitan miles de genes para construir la maquinaria fotosintética que las plantas necesitan para aprovechar la luz solar para el crecimiento. Y, sin embargo, los investigadores no saben exactamente cómo funcionan estos genes.
Ahora, un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton ha construido una "biblioteca" pública para ayudar a los investigadores a descubrir qué hace cada gen. Utilizando la biblioteca, el equipo identificó 303 genes asociados con la fotosíntesis, incluidos 21 genes recientemente descubiertos con alto potencial para proporcionarnuevos conocimientos sobre este proceso biológico que sustenta la vida. El estudio fue publicado en línea esta semana en Genética de la naturaleza .
"La parte de la planta responsable de la fotosíntesis es como una máquina compleja compuesta de muchas partes, y queremos entender qué hace cada parte", dijo Martin Jonikas, profesor asistente de biología molecular en Princeton. "Esta biblioteca, nosotrosespero que sea una de las bases sobre las que la gente construirá para hacer la próxima generación de descubrimientos ".
Desbloquear el papel de cada gen podría permitir a los investigadores diseñar plantas para que crezcan más rápidamente, lo que podría satisfacer las necesidades alimentarias mundiales futuras. Las plantas también podrían modificarse para absorber más dióxido de carbono, lo que ayudaría a abordar los desafíos climáticos.
La biblioteca, financiada en gran parte a través de una subvención de la National Science Foundation, consta de miles de algas unicelulares que viven en estanques conocidas como Chlamydomonas reinhardtii o Chlamy para abreviar. Cada "libro" en la biblioteca es una cepade Chlamy con una sola mutación. Las más de 62,000 cepas mutantes, alojadas en el Centro de Recursos Chlamydomonas de la Universidad de Minnesota, cubren más del 80 por ciento de los genes de Chlamy.
Se han creado bibliotecas similares en otros organismos unicelulares, como la levadura, pero este es el primer esfuerzo para cualquier organismo fotosintético unicelular. El rápido crecimiento de los organismos unicelulares los hace valiosos como herramientas de investigación.
"Debido a que esta especie de alga a menudo se usa como modelo para comprender una gama más amplia de procesos biológicos, esta biblioteca será un recurso importante", dijo Karen Cone, directora de programa de la National Science Foundation, que fue el principal financiador deesta investigación ". La asociación entre el grupo Jonikas y el Centro de Recursos Chlamydomonas mejora la accesibilidad de la comunidad a este valioso recurso, que a su vez permitirá nuevos descubrimientos, especialmente en una de las áreas prioritarias de investigación de NSF, 'Entendiendo las Reglas de Vida'".
Debido a varios desafíos inherentes al genoma de Chlamy, el proyecto tardó nueve años en completarse. A lo largo del proyecto, los investigadores utilizaron robots para mantener vivas a generaciones de células cambiando los medios líquidos ricos en nutrientes en los que viven.
El proyecto comenzó en 2010 mientras Jonikas y su equipo estaban en la Carnegie Institution for Science en el campus de la Universidad de Stanford, y se completó en Princeton, donde se mudó el laboratorio de Jonikas en 2016. El proyecto fue una colaboración con Arthur Grossman, un personal de alto nivelcientífico en Carnegie y con el Centro de Recursos Chlamydomonas dirigido por Paul Lefebvre, profesor de biología vegetal y microbiana en la Universidad de Minnesota.
La capacidad de observar una célula de Chlamy con un solo gen defectuoso entre todos los demás genes funcionales permite a los investigadores descubrir qué hace ese gen. Por ejemplo, si la célula tiene problemas para moverse, entonces la función del gen defectuoso probablemente implica un movimiento de gobierno.
Jonikas comparó la biblioteca de mutantes Chlamy con una biblioteca que contenía miles de copias de un manual para construir un automóvil, y a cada copia le faltaba una sección diferente. No importa qué manual se haya utilizado, el automóvil resultante carecería de una parte, por lo que no puedeoperar como se esperaba
"La bocina podría no funcionar o el volante podría no girar", dijo Jonikas. "Entonces sabría que la sección que falta contiene las instrucciones para esa parte del automóvil".
La biblioteca permite a los investigadores probar múltiples cepas de Chlamy mutantes a la vez porque cada mutación está etiquetada con un "código de barras de ADN" único. Para el estudio actual, los investigadores colocaron miles de cepas de Chlamy en un solo matraz y las expusieron a la luz.no crecieron con mayor probabilidad de contener un gen involucrado en la fotosíntesis.
Uno de los genes recientemente identificados es CPL3, que se cree que juega un papel en la acumulación de las "partes" proteicas de la maquinaria fotosintética. El equipo ahora está explorando si el gen ayuda a las algas a ajustar su actividad fotosintética a los cambios en los niveles de luz solar..
La biblioteca de mutantes puede permitir estudios en otras áreas de la biología de las plantas, como la comunicación intracelular y la capacidad de Chlamy de remar alrededor de su entorno utilizando un cilio en forma de cola.
Xiaobo Li, el primer autor del estudio, era un investigador postdoctoral en Princeton cuando el equipo completó la biblioteca. "Es nuestra esperanza que la biblioteca de mutantes Chlamydomonas y los genes identificados conduzcan a numerosos descubrimientos fundamentales en la fotosíntesis, la motilidad celular y muchosotros procesos ", dijo Li.
Weronika Patena, analista senior de bioinformática en el laboratorio Jonikas, escribió programas de computadora para analizar grandes cantidades de datos para identificar los genes con mayor probabilidad de estar involucrados en la fotosíntesis. "Creo que el éxito de este proyecto acelerará en gran medida la investigación en fotosíntesis y otrosprocesos para los cuales Chlamy es un buen modelo y aportan mucho valor a la comunidad científica ", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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