Los organismos fotosintéticos, los únicos capaces de captar la luz ambiental y el dióxido de carbono (CO2) atmosférico para generar energía, constituyen la base de las redes tróficas y son clave para el mantenimiento de la vida en la Tierra. Sin embargo, durante muchos años ha sido un reto determinar algunos de los mecanismos moleculares que se encuentran detrás del desarrollo de sus células. Ahora, un estudio del Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis (IBVF, CSIC-US), en colaboración con la Universidad de Stanford, muestra cómo la activación de la proteína TOR permite a células fotosintéticas transmitir las señales ambientales de luz y carbono a la maquinaria que promueve el crecimiento celular. Los resultados se han publicado en la prestigiosa revista Science Advances.
Los seres vivos están en constante adaptación con su entorno, tomando decisiones cruciales sobre cómo crecer, dividirse o frenar su crecimiento. Para que todas estas decisiones se tomen de manera eficiente, las células necesitan una serie de señales que les indiquen qué hacer y cuándo hacerlo. En este sentido, las células tienen proteínas clave que les ayudan a tomar estas decisiones. Entre estas proteínas, la quinasa Target of Rapamycin (TOR) juega un papel esencial en la regulación del crecimiento celular en todos los organismos eucariotas, promoviéndolo únicamente en presencia de nutrientes.
A lo largo de los años, diversos estudios han permitido avanzar en el conocimiento sobre los mecanismos moleculares mediante los cuales los nutrientes regulan la actividad de esta proteína, tanto en organismos complejos como en organismos unicelulares. Sin embargo, comprender cómo la proteína TOR regula el crecimiento celular en organismos fotosintéticos ha sido un gran reto debido a las importantes diferencias metabólicas con respecto a otros organismos. De hecho, los organismos fotosintéticos son los únicos capaces de utilizar el CO2 atmosférico y la luz solar como fuente de carbono y energía, acoplándolo a la producción de oxígeno (O2) y biomasa celular.
En este estudio, mediante el cual se ha logrado identificar cómo la proteína TOR regula el crecimiento celular en organismos fotosintéticos, se muestra como la dihidroxiacetona fosfato (DHAP), una molécula de carbono esencial en la asimilación del CO2 atmosférico, activa a la quinasa TOR y promueve el crecimiento. Este hallazgo demuestra por primera vez cómo las células fotosintéticas transmiten las señales ambientales de luz y de carbono a la maquinaria que promueve el crecimiento celular.
La proteína TOR actúa como un director de orquesta, coordinando el crecimiento celular, el metabolismo y la respuesta a los nutrientes. De esta forma, esta proteína promueve el crecimiento celular mediante la activación de procesos como la síntesis de proteínas y la inhibición de procesos degradativos como la autofagia, una especie de autocanibalismo por el que las células digieren algunas de sus partes para sanearse y, a la vez, lograr energía. Su descubrimiento en los años 90 supuso un gran avance en la comprensión de los mecanismos que regulan el crecimiento celular y su relación con el metabolismo y con enfermedades relacionadas con desordenes en el crecimiento celular, como el cáncer.
Sin embargo, hasta el momento, la información sobre la ruta de señalización TOR en organismos fotosintéticos, incluidas microalgas y plantas, es bastante limitada, a pesar del papel esencial que estos organismos desempeñan en el mantenimiento de la vida en la Tierra. “Los análisis evolutivos de las proteínas relacionadas con TOR demostraron que su regulación puede ser muy diferente entre organismos, e incluso entre las distintas partes de un mismo organismo. En este sentido, hay que tener en cuenta que los organismos fotosintéticos como las microalgas o las plantas utilizan el CO2 como fuente de carbono para todas las reacciones celulares, mientras que los organismos heterotróficos como los mamíferos deben utilizar fuentes de carbono orgánico como los azúcares”, explica Manuel Jesús Mallén Ponce, investigador posdoctoral Juan de la Cierva en el grupo “Señalización TOR y Autofagia en microalgas” del IBVF y primer autor del trabajo.
Además, el análisis de la proteína TOR mostró cómo su actividad aumenta durante el día y disminuye drásticamente durante la noche, siguiendo el mismo patrón que presenta la fotosíntesis en todos los organismos fotosintéticos. En este sentido, “curiosamente, nuestros análisis metabolómicos mostraron que algunos metabolitos, incluido el DHAP, siguen el mismo patrón que la actividad de la proteína TOR, acumulándose en la célula durante el día y disminuyendo a lo largo de la noche”, añade José Luis Crespo, investigador principal del proyecto.
Desafíos futuros
El trabajo analiza elementos y procesos reguladores centrales, conocidos desde hace décadas, pero cuyo papel o relación ha sido hasta ahora poco explorado. En ese sentido, estos resultados aportan una visión original sobre el mecanismo implicado en la regulación de la proteína TOR por la fotosíntesis y la fijación de CO2 en microalgas. Estos microorganismos, además de ser los antecesores evolutivos de las plantas, tienen actualmente un papel ecológico esencial como base de la cadena trófica en medios acuáticos, así como un importante potencial biotecnológico.
Este trabajo, por tanto, abre las puertas a estudios posteriores que determinarán si este mecanismo está conservado en otros organismos fotosintéticos, ya que su capacidad para influir en procesos fundamentales de la vida, como la división celular o la adaptación metabólica, lo convierte en un objetivo de estudio esencial para la investigación científica.
Además, entender cómo la proteína TOR regula estos procesos no solo mejora nuestra comprensión de la biología básica, sino que también representa una oportunidad para grupos de investigación centrados en fines biotecnológicos, tales como el aumento de biomasa vegetal acoplado a la reducción de los niveles de CO2 atmosférico.
CSIC Comunicación – Andalucía y Extremadura