Observando los cambios en el metabolismo de las plantas - en vivo
Los investigadores utilizan un nuevo método de tecnología de biosensores in vivo
Casi toda la vida en la Tierra, en particular nuestros alimentos y nuestra salud, dependen del metabolismo de las plantas. Para comprender cómo funcionan estos procesos metabólicos, los investigadores del Instituto de Biología y Biotecnología de las Plantas de la Universidad de Münster, con la participación de la Universidad de Bonn, están estudiando mecanismos clave en la regulación del metabolismo energético. Ahora, por primera vez, un nuevo método de tecnología de biosensores in vivo les ha permitido vigilar en tiempo real los efectos que los cambios ambientales -por ejemplo, la luz, la temperatura, la aridez, las inundaciones o la infestación de plagas- tienen en el metabolismo central de la planta modelo Arabidopsis thaliana (berro de Thale).
Una joven planta de berro de tallo (Arabidopsis thaliana) con el biosensor fluorescente en sus células. La imagen en color falso muestra el estado redox del conjunto de NAD en las células y el tejido. Escala del arco iris desde el azul (piscina NAD oxidada) al rojo (piscina NAD reducida).
Copyright: Plant Energy Biology Lab/Janina Steinbeck
Antecedentes y metodología
El equipo de investigadores expresó un sensor codificado genéticamente dentro de las plantas para hacer que el proceso metabólico central sea literalmente 'visible'. "Debido a que las plantas parecen ser muy estáticas desde el exterior, tienen que ser maestros súper rápidos de la flexibilidad y la adaptación dentro de sus células", dice la Dra. Janina Steinbeck, autora principal del estudio. "Ahora somos capaces de observar esas dinámicas en vivo en la planta viva". Para medir el proceso metabólico en la planta y producir imágenes de la misma, los investigadores utilizaron la biosensorización in vivo, un método para estudiar organismos, tejidos o células vivas en tiempo real. El biosensor consiste en un elemento de reconocimiento biológico, una proteína que se une específicamente a una molécula para ser detectada, y un elemento de lectura, una proteína que traduce la unión al elemento de reconocimiento en una señal luminosa. El biosensor que se utiliza ahora fue desarrollado originalmente para su uso en las células nerviosas. Los investigadores refinaron este sensor y lo desarrollaron para que pudiera ser utilizado en las plantas.
El sensor puede unirse directamente y luego liberar las moléculas NAD+ y NADH. El llamado sistema redox NAD es de suma importancia para la transferencia de electrones durante el metabolismo en casi todos los seres vivos. El sensor consiste en una proteína fluorescente azul-verde y una roja, las cuales cambian su brillo dependiendo del estado del NAD en la célula. La lectura del sensor en las células vivas se realiza con un moderno microscopio de escaneo láser confocal. La posibilidad de utilizar la detección de NAD in vivo en las plantas abre nuevas opciones para los investigadores de plantas. "Para nosotros, este nuevo método es un logro en cuanto a la metodología, porque ahora podemos obtener una comprensión directa de los procesos metabólicos precisamente donde ocurren en la planta", explica el Prof. Markus Schwarzländer, que dirige el grupo de trabajo de Biología Energética de Plantas de la Universidad de Münster. "Por ejemplo, fue una completa sorpresa para nosotros observar que un proceso tan clave como el metabolismo de la NAD cambia tan fundamentalmente durante una reacción inmunológica", añade.
Hasta ahora, los investigadores sólo habían podido estudiar este tipo de procesos metabólicos obteniendo extractos de las plantas y analizándolos con métodos bioquímicos. Sin embargo, con este enfoque se destruyen las células y los tejidos, y ya no es posible determinar con exactitud dónde se produjeron los cambios metabólicos. Ahora, los investigadores pueden rastrear los cambios dinámicos en el metabolismo redox - que, entre otras funciones, sirve para proporcionar energía en las células - desde compartimentos celulares específicos, aquí en el citosol, en las células individuales, hasta órganos completos en plantas vivas intactas. Este enfoque permite crear un primer mapa redox NAD de toda la planta y observar la dinámica redox en las transiciones de la luz a la oscuridad, así como los cambios en el estado del azúcar, la respiración celular y el suministro de oxígeno. "Como resultado, se hace evidente cuán directamente están vinculados el metabolismo y el medio ambiente", dice Markus Schwarzländer. "Lo que fue especialmente emocionante fue la nueva conexión con la respuesta inmune, de la que antes prácticamente no teníamos idea, y que ahora debe ser estudiada más a fondo".
Casi al mismo tiempo que la publicación en The Plant Cell, se publicó en Nature Communications un estudio realizado por investigadores de Hong Kong. En este estudio, se expresó un sensor diferente para NAD dentro de las plantas y se utilizó para estudiar la fotosíntesis. Los resultados de ambos estudios se apoyan mutuamente. "La información obtenida a través del nuevo método puede desempeñar un papel clave en el futuro en el cultivo de plantas que hagan más sostenible nuestra producción de alimentos y contribuyan a aliviar los efectos del cambio climático. También podría ser posible un reconocimiento directo y temprano del estrés en los cultivos agrícolas", dice Schwarzländer, con vistas al futuro.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Steinbeck J, Fuchs P, Negroni YL, Elsässer M, Lichtenauer S, Stockdreher Y, Feitosa-Araujo E, Niemeier JO, Kroll JB, Humberg C, Smith E, Mai M, Nunes-Nesi A, Meyer AJ, Zottini M, Morgan B, Wagner S, Schwarzländer M; "In Vivo NADH/NAD+ Biosensing Reveals the Dynamics of Cytosolic Redox Metabolism in Plants"; Plant Cell; 2020
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