La optogenética denota la manipulación de procesos celulares mediante técnicas biológicas basadas en la luz. Un equipo de investigación internacional dirigido por los científicos de plantas de Würzburg Rainer Hedrich, Georg Nagel y Dirk Becker ha logrado aplicar este método a las plantas superiores: ahora se pueden utilizar impulsos de luzpara activar la excitación eléctrica en las plantas.
"Con esta herramienta, por primera vez podemos investigar de forma no invasiva vías de comunicación celular basadas en electricidad en plantas a nivel molecular y preguntar cómo las plantas usan estas señales eléctricas para responder a fluctuaciones extremas de temperatura, herbívoros u otros factores de estrés.", dice Dirk Becker.
Cuando las plantas están estresadas, emiten señales eléctricas que viajan a larga distancia conocidas como ondas de potencial de membrana. Por lo tanto, las plantas son capaces de transmitir información de manera rápida y precisa a largas distancias, aunque no tengan células cerebrales ni nerviosas. Los mecanismos moleculares involucrados,sin embargo, son en gran parte desconocidos. El equipo de investigación proporciona nuevos conocimientos sobre estos complejos procesos en la revista PNAS .
Las algas proporcionan herramientas para la biología de membranas
¿Cómo podemos simular una señal eléctrica en plantas que normalmente se activa por estrés o lesión sin causar reacciones secundarias no deseadas?
El equipo abordó este desafío con la ayuda de la optogenética. El método está disponible desde 2002 y los coautores de la publicación actual de PNAS, Georg Nagel y Ernst Bamberg, junto con otros investigadores, han recibido varios premios por su desarrollo.
La optogenética permite controlar la actividad eléctrica de las células nerviosas con pulsos de luz, siempre que las membranas de las células nerviosas estuvieran previamente equipadas con canales iónicos sensibles a la luz de las algas, conocidas como canalrodopsinas.
El estrés conduce a la despolarización y acidificación
Las plantas superiores han perdido los canales iónicos sensibles a la luz de las algas durante la evolución, explica Dirk Becker. Los investigadores ahora han logrado devolver los genes de la canalrodopsina al genoma de la planta modelo Arabidopsis thaliana, cuyas células foliares se pueden excitar específicamente conse puede analizar la luz y la respuesta eléctrica de la membrana.
Si las plantas están estresadas, las células irritadas se despolarizan y el entorno celular se vuelve más ácido. Esto se sabía. Pero, ¿cómo se pueden simular los dos procesos en el experimento? Los investigadores de Würzburg utilizan una variante de canalrodopsina que se enciende con luz azul y luegoconduce protones al interior de la célula.
Normalmente, la pared celular de una célula vegetal es al menos una unidad de pH más ácida que el interior de la célula, dice Rainer Hedrich. Si el canal de protones se abre, los protones y, por lo tanto, las cargas eléctricas positivas fluyen inevitablemente a través de la membrana celular. Esto despolariza lamembrana y acidifica el interior de la célula.
La despolarización se puede controlar con luz azul
Para desencadenar este efecto experimentalmente, se dirige un láser azul al área de la hoja que se va a investigar y se registra el potencial de membrana de las células estimuladas, explica Dirk Becker: "Usamos la intensidad de iluminación, la duración y la frecuencia del azulpulsos de luz para controlar la forma de la despolarización de la membrana y analizar en detalle la respuesta de repolarización de la célula vegetal.
Se demostró que en las células de las hojas la repolarización es causada principalmente por bombas de protones sensibles al potencial de la membrana plasmática impulsadas por ATP. Cuando la membrana celular se despolariza, esta bomba de protones entra en un estado de mayor actividad. Al hacerlo, transporta de manera más positivaprotones cargados fuera de la célula, lo que repolariza la membrana celular.
Este mecanismo difiere fundamentalmente del de las células nerviosas de los animales, donde los canales de potasio dependientes del voltaje gobiernan este proceso. Los investigadores de la planta de Würzburg pudieron demostrar que las plantas manejan este proceso usando una bomba de protones y no un canal de potasio: un mutante de Arabidopsis sinEl canal de potasio se comportó como una planta normal cuando se expuso a la luz azul.
canalrodopsinas para todos los casos
"Actualmente estamos probando otras herramientas optogenéticas de este tipo", dice Rainer Hedrich. El objetivo no es solo dilucidar la comunicación celular a través de señales eléctricas. También es importante comprender la importancia de las ondas de calcio y las señales de pH que ocurren simultáneamente en las plantas..
Para aclarar qué caracteriza a las células vegetales en general y qué características específicas de la célula pueden haberse desarrollado, los investigadores planean introducir canalrodopsinas en células que exhiben una amplia gama de funciones diferentes. Los investigadores también planean usar variantes de canalrodopsina con selectividad iónica específicapara arrojar luz sobre las intrincadas vías de comunicación de las plantas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Würzburg . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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