La levadura como organismo modelo en investigación.

Cuando empecé a estudiar biología, una de mis mayores inquietudes era entender cómo era posible que procesos fisiológicos y sistemas de regulación molecular pudieran estudiarse a tal nivel de detalle. Cómo alguien, muchos años atrás y con herramientas mucho peores que las que tenemos ahora, pudiera caracterizar una compleja ruta de señalización en humanos. Qué proteína afecta a cuál, en qué orden, bajo qué condiciones, en qué tejidos… Era algo que me asombraba.

Yo me imaginaba al primer científico que se preguntaba estas cosas. Algo tan simple como, ¿por qué tenemos sed? ¿Qué hay detrás de esta percepción? ¿Qué mecanismos elaboran la respuesta que nos hace beber agua? Muchos descubrimientos nacen de la pura chiripa, pero, ¿Qué nos ha llevado a conocer tan detalladamente nuestra propia fisiología y cómo funcionamos? La respuesta, en muchos casos, os puede sorprender. Hoy, os hablaré de la levadura como organismo modelo.

Atributos de un buen organismo modelo

Un organismo o especie modelo es aquella que se utiliza para entender los procesos de muchos otros. Ciertas especies son más fáciles de manipular que otras, de modo que la lista de organismos modelo no es tan larga como cabría esperar.

El primer organismo modelo fue la bacteria Escherichia coli. Crece rápidamente y sin dificultad, y a finales del siglo pasado su uso en el laboratorio era ampliamente extendido gracias a su versatilidad. Actualmente, esta bacteria se utiliza ampliamente en biología molecular para la propagación de ADN y en biología sintética. Esta rama de la ciencia busca encontrar nuevas funciones metabólicas y fisiológicas diseñadas por el ser humano.

Hay otras especies; el gusano Caenorhabditis elegans, la planta Arabidopsis thaliana, la mosca Drosophila melanogaster o el pez cebra, Danio rerio. Todos son organismos fáciles de utilizar y tienen ciclos de vida cortos. Así, desde la biología del desarrollo en Drosophila o el gusano, el genoma de las plantas o las funciones neuronales del pez cebra… todo lo que aprendemos en estos «simples» seres vivos puede ser aplicado a muchos otros organismos, vertebrando así nuestro conocimiento científico.

El CSIC tiene una excelente página sobre organismos modelos usados en la ciencia y sus aplicaciones. tanto dentro como fuera del laboratorio. Os dejo aquí un enlace, si queréis encontrar más información sobre estas interesantes especies.

Arabidopsis thaliana y la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, son dos organismos modelo que te puedes encontrar a tu alrededor. Esta planta puede crecer en prácticamente cualquier sitio. Por otro lado, puedes encontrar moscas de la fruta cada día, en torno a fruta muy madura o incluso cerca del vinagre. ¡Te invitamos a que descubras estas dos especies! Los avances científicos que han permitido son incalculables.

Los microorganismos modelo

Los médicos y fisiólogos humanos lo tendrían bastante difícil para encontrar respuestas a sus grandes preguntas sin los microbiólogos. Quienes estudian a los organismos microscópicos (bacterias, arqueas, e incluso organismos eucariotas unicelulares) lo tienen más fácil para manipular a su antojo los organismos con los que trabajan. Un medio con un pH bajo, o con alta concentración de sales, hace que un microorganismo necesite responder para tratar de sobrevivir. Estas respuestas, en algunos mutantes, no existen. Y así, poco a poco, se va deshilvanando el complejo hilo de la vida. De la vida de un microorganismo.

Pero la microbiología no sólo estudia las bacterias. Muy interesantes son también las levaduras, como Saccharomyces cerevisiae. Éste es nuestro protagonista de hoy, el gran modelo eucariota; la primera célula con núcleo verdadero cuyo genoma se secuenció y publicó, y del que más cosas se conocen. Producen cerveza (ya que pueden fermentar azúcares a alcohol), son los responsables de muchos productos alimenticios como el pan y, además, son unos excelentes compañeros de laboratorio. Y es que, además de producir comida y bebida, la levadura es un gran organismo modelo.

¡Levadura fluorescente! Saccharomyces cerevisiae expresando una proteína fluorescente de localización citoplasmática (falso color; en morado) y una de localización nuclear (falso color; en azul).

Un microorganismo polivalente

Empezar a utilizar la levadura Saccharomyces cerevisiae como organismo modelo supuso un cambio respecto a las anteriormente utilizadas bacterias: es una especie eucariota. Esto diferencia enormemente su biología de la de una bacteria, ya que la organización celular en la levadura siempre será más similar a la de un humano que a la de Escherichia. Tiene un núcleo verdadero, orgánulos y sus proteínas sufren modificaciones de manera mucho más similar a los humanos. Además, sigue siendo un microorganismo fácil de hacer crecer y de manipular. ¡Son todo ventajas! Ahora bien, ¿Qué hemos aprendido gracias a estas pequeñas células? ¿Siguen teniendo potencial? Aquí te dejo unos cuantos ejemplos de los descubrimientos que se asocian al estudio de S. cerevisiae.

Proteínas

Una célula tiene ADN en su núcleo que se transcribe a ARN y este se traduce a proteínas, en lo que se conoce como el dogma central de la biología. Todas las células de nuestro organismo tienen el mismo ADN, pero es evidente que las células de la piel no se comportan de igual manera que las células del páncreas. Esto se debe porque existe una regulación a estos tres niveles: ADN (mediante, por ejemplo, la epigenética), ARN (silenciamiento, splicing, etc.) y proteína (modificaciones postraduccionales).

Parte del dogma central de la biología. El ADN bicatenario (1) se replica a ARN monocatenario, que se traduce (2) a proteína.

La proteína es la estructura más compleja, y fundamental para todas las células. Se compone de 20 tipos de aminoácidos en una cadena que adquiere una conformación especial, y diversa para cada proteína. Estos aminoácidos pueden modificarse químicamente, y ello implica que la proteína adquiera una forma o funciones que antes no tenía.

TOR y kinasas

Aparte de ser un dios nórdico, TOR (de sus siglas en inglés, por «diana de rapamicina») es una proteína de incalculable valor en nuestro organismo. Pero para entender para qué sirve, primero debo explicar qué son las kinasas, y por qué son tan importantes.

Una de las modificaciones más conocidas es la fosforilación, o la adición de grupos fosfato a una proteína. Esta aparentemente sencilla modificación química está catalizada por proteínas específicas, llamadas quinasas (o kinasas), en una red de regulación tremendamente compleja. Esta complejidad se debe a que, si la regulación fallara, la respuesta que puede darse a través de estas proteínas fosforiladas podría ser fatal para las células.

mTOR es una enorme, larguísima y pesadísima proteína compuesta de más de 2500 aminoácidos que regula innumerables rutas de fosforilación. ¿Y sabéis en qué organismo se descubrió primero? Efectivamente, en Saccharomyces. En nuestro pequeño organismo modelo se describió TOR y poco después se estudió el homólogo en humanos y mamíferos mTOR, con funciones muy parecidas.

Cáncer

Por increíble que parezca, muchos grupos pioneros en estudios de cáncer utilizan levadura. En este organismo consiguen insertar algunas proteínas relacionadas con el cáncer. Si pensamos en el dogma de la biología, cuando el ADN muta, la proteína que genera también, porque su secuencia de aminoácidos es distinta. Esto altera su función, e incluso acarrea consecuencias tan nefastas como el cáncer.

Si las proteínas que mutan afectan al ciclo de división celular, el drama está servido. Puede ocurrir que, a causa de esto, las divisiones de una célula pierdan regulación y empiecen a dividirse descontroladamente y… Todos sabemos qué es esto.

Ciclo celular

Algunos grupos llevan mucho tiempo estudiando mutaciones en proteínas clave del ciclo celular en humanos. Pero como a veces estas proteínas son homólogas (iguales, prácticamente) a las que hay en levadura, utilizando este pequeño microorganismo consiguen ver los cambios que ocurrirían en las células humanas, de manera mucho más sencilla. Esto es, en parte, gracias a que la morfología de las células de levadura cambia según la fase en la que se encuentre

Ciclo celular de las levaduras

Mutaciones y cáncer

Otros grupos, en cambio, estudian mutaciones muy concretas en proteínas que alteran su función. Es el ejemplo de B-RAF, precisamente una quinasa. Una mutación en su aminoácido Valina 600 (el 600º aminoácido en su cadena) hace que B-RAF pierda el control y actúe de forma independiente, «non-stop«. Esto desregula la señalización de quinasas de la que forma parte. Se han descrito innumerables mutaciones de B-RAF asociadas a distintos cánceres (colon, pecho, páncreas)…

¿Qué puede ofrecer la levadura? Pues bien, si introducimos uno de estos mutantes de B-RAF en Saccharomyces, este actuará sobre otras rutas de regulación. Una de las más conocidas es la ruta HOG, que controla la tolerancia a alta salinidad en Saccharomyces. Si sustituimos la B-RAF de levadura por una B-RAF humana normal, no pasaría nada, pero si en cambio introducimos una B-RAF mutante… Su actividad, aumentada debido a la mutación, conseguirá hacer que las células sobrevivan.

Crecimiento de levadura en medio sin (izquierda) y con (derecha) alta concentración de sal. Como se puede apreciar, La mutación en el 600º amino ácido de BRAF (BRAFV600E) consigue hacer que la levadura sobreviva a este estrés, que de otro modo moriría y no crecería. Fuente: Lubrano et al., 2017.

Interacción entre proteínas

Como ya he explicado antes, la levadura es un organismo excelente por su capacidad, como eucariota, de expresar proteínas de forma muy parecida a otros organismos, como los humanos. A mediados de los noventa se desarrolló un sistema que permitía el estudio de la interacción entre dos proteínas. Y este sistema se hizo, cómo no, gracias a Saccharomyces.

A mediados de los noventa se desarrolló un sistema llamado Y2H (Sistema de doble híbrido). En este sistema, la producción de HIS3, una enzima que permite sintetizar histidina, se dispone bajo el control de un promotor UAS. A éste se une específicamente una proteína, GAL4. Esto haría que sólo en presencia de GAL4 podría sintetizarse histidina, y solo así las células sobrevivirían en un medio sin este aminoácido.

Al querer estudiar la interacción entre dos proteínas de interés, tal y como se ve en la imagen, cada una de ellas se fusiona a una subunidad de la proteína GAL4. Sólo si las proteínas interaccionan, las dos mitades de GAL4 quedarán lo suficientemente próximas como para unirse y activar la secuencia UAS y, con ello, la síntesis de histidina y la supervivencia de la célula.

Este sistema se ha utilizado extensivamente para determinar la interacción entre dos proteínas, lo que ha llevado a entender numerosos procesos biológicos. El sistema Y2H, o el sistema GAL4/UAS se ha exportado incluso a numerosos organismos como Drosophila o Arabidopsis. Así se ha podido entender incluso en qué tejidos ocurren estas interacciones.

Sistema UAS/GAL4

Sistema UAS/GAL4. 1) GAL4 activa UAS y con ello la síntesis de histidina. 2) Dos proteínas (X e Y) no interaccionan, por lo que GAL4 no se recompone y no hay síntesis de histidina. 3) X y Z interaccionan, GAL4 se recompone y la célula sintetiza histidina gracias a HIS3. 4) Sistema UAS/GAL4 en Drosophila donde HIS3 se sustituye por GFP para ver interacción en células fotorreceptoras (Fuente: Pyza & Górska-Andrzejak, 2008)

Mucho más que cerveza y pan

Habéis visto que la levadura es un organismo muy interesante, y no sólo para los amantes de la cerveza. Los organismos modelo nos rodean, y es increíble pensar lo que hemos aprendido gracias a algo tan insignificante como una pequeña mosca. Gracias a ellos se ha avanzado mucho, pero queda aún más por descubrir. ¿Quién sabe cuál es el límite del potencial de estos pequeños organismos?

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Mikel Lavilla Puerta

¡Hola! Soy Mikel, biólogo y biotecnólogo, antiguo estudiante UCM y actualmente estoy terminando mi doctorado en ciencias agronómicas en la Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa. Durante mi carrera y máster ahondé en muchos aspectos de la biología, especialmente en la botánica y la fisiología vegetal. Actualmente trabajo en modelos de percepción del oxígeno en plantas. Utilizo biología molecular y un microorganismo, la levadura, como modelo para construir la ruta que permite que las plantas perciban el oxígeno. Mis pasiones rondan la biología sintética, molecular, microbiología y fisiología vegetal, pero fuera del laboratorio me encanta el teatro, la música (canto en un coro Góspel) y la naturaleza. Enlazo algunas publicaciones por si queréis saber algo más de mi trabajo, y para todo lo demás, ¡preguntadme!

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