Una nueva investigación de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, en Estados Unidos, demuestra que los genes son capaces de identificar y responder a la información codificada en las señales luminosas, así como de filtrar algunas señales por completo. El estudio muestra cómo un único mecanismo puede desencadenar diferentes comportamientos del mismo gen, y tiene aplicaciones en el sector de la biotecnología.
“La idea fundamental es que se puede codificar la información en la dinámica de la señal que recibe un gen --dice Albert Keung, autor de un artículo sobre el trabajo y profesor adjunto de ingeniería química y biomolecular en la NC State--. Así que, en lugar de que una señal simplemente esté presente o ausente, la forma en que se presenta la señal importa”.
Para este estudio, publicado en la revista ‘Cell Systems’, los investigadores modificaron una célula de levadura para que tuviera un gen que produjera proteínas fluorescentes cuando la célula se expusiera a la luz azul.
Una región del gen llamada promotor es la responsable de controlar la actividad del gen. En las células de levadura modificadas, una proteína específica se une a la región promotora del gen. Cuando los investigadores proyectan luz azul sobre esa proteína, ésta se vuelve receptiva a una segunda proteína. Cuando la segunda proteína se une a la primera, el gen se activa. Y eso es fácil de detectar, ya que el gen activado produce proteínas que brillan en la oscuridad.
A continuación, los investigadores expusieron estas células de levadura a 119 patrones de luz diferentes. Cada patrón de luz difería en cuanto a la intensidad de la luz, la duración de cada pulso de luz y la frecuencia de los pulsos. A continuación, los investigadores calcularon la cantidad de proteína fluorescente que las células producían en respuesta a cada patrón de luz.
Según señalan los autores, la gente habla de genes que se encienden o se apagan, pero es menos parecido a un interruptor de la luz y más a un regulador de intensidad: un gen puede activarse un poco, mucho o en cualquier punto intermedio. Si un patrón de luz determinado conduce a la producción de una gran cantidad de proteína fluorescente, eso significa que el patrón de luz hizo que el gen fuera muy activo. Si el patrón de luz conduce a la producción de sólo un poco de proteína fluorescente, eso significa que el patrón sólo desencadenó una actividad leve del gen.
“Descubrimos que diferentes patrones de luz pueden producir resultados muy diferentes en términos de actividad genética --explica Jessica Lee, primera autora del trabajo y recién graduada del doctorado en la NC State--. La gran sorpresa para nosotros fue que la salida no estaba directamente correlacionada con la entrada. Nuestra expectativa era que cuanto más fuerte fuera la señal, más activo sería el gen. Pero no fue necesariamente así. Un patrón de luz podía hacer que el gen fuera significativamente más activo que otro patrón de luz, incluso si ambos patrones exponían al gen a la misma cantidad de luz”.
Los investigadores descubrieron que las tres variables del patrón de luz -la intensidad de la luz, la frecuencia de los pulsos de luz y la duración de cada pulso- podían influir en la actividad del gen, pero descubrieron que el control de la frecuencia de los pulsos de luz les proporcionaba el control más preciso sobre la actividad del gen.
“También utilizamos los datos experimentales aquí para desarrollar un modelo computacional que nos ayudó a entender mejor por qué diferentes patrones producen diferentes niveles de actividad génica”, añade Leandra Caywood, coautora del artículo y estudiante de doctorado en la NC State.
“Por ejemplo, descubrimos que cuando se agrupan pulsos rápidos de luz muy juntos, se obtiene más actividad génica de la que cabría esperar por la cantidad de luz que se aplica --prosigue Caywood--. Utilizando el modelo, pudimos determinar que esto ocurre porque las proteínas no pueden separarse y volver a juntarse lo suficientemente rápido como para responder a cada pulso”.
Según explica, “básicamente las proteínas no tienen tiempo de separarse completamente entre los pulsos, por lo que pasan más tiempo conectadas, lo que significa que el gen pasa más tiempo activado. Comprender este tipo de dinámica es muy útil para ayudarnos a averiguar cómo controlar mejor la actividad de los genes utilizando estas señales”.
Keung resalta que el hallazgo “es relevante para las células que responden a la luz, como las que se encuentran en las hojas, pero también nos dice que los genes responden a patrones de señales, que podrían ser entregados por mecanismos distintos a la luz”.
