Expresión génica y regulación metabólica en cianobacterias

El interés científico del grupo se centra en elucidar las estrategias adaptativas de las cianobacterias a los cambios en las condiciones ambientales, especialmente aquellas relacionadas con la eficiencia fotosintética (irradiancia lumínica), la disponibilidad de nutrientes (carbono y nitrógeno) y los cambios en el estado redox celular. Para ello utilizamos principalmente la cianobacteria unicelular Synechocystis sp. PCC 6803, considerada un organismo modelo para estudios de fotosíntesis y metabolismo del carbono, debido a su plasticidad metabólica y un conocimiento profundo de su genoma.

Actualmente tenemos varias líneas de investigación:

1. Regulación del metabolismo central del carbono.

Analizamos distintos mutantes que alteran el flujo de carbono celular, ya sea eliminando alguna ruta metabólica, como es el caso de la síntesis y degradación del glucógeno, o modificando la capacidad para regular el propio flujo, como es el caso del factor CfrA. El abordaje experimental comprende análisis metabolómicos, cuantificando compuestos del metabolismo central del carbono (Ciclo de Calvin, Glucólisis, Ciclo de Krebs y síntesis de aminoácidos), ensayos enzimáticos y expresión de genes relacionados con dichos procesos. Se pretende construir un modelo que se ajuste a los cambios tanto en la iluminación, como a distintos niveles de CO₂ y a la disponibilidad de nitrógeno en el medio, para identificar los conectores de las distintas señales y como se produce la integración entre ellas. Como corolario a todos estos estudios estamos analizando el potencial biotecnológico de los distintos mutantes para producir compuestos de carbono, como sacarosa y lactato, con una alta eficiencia al poder dirigir controladamente el flujo de carbono celular.

2. Dinámica del metabolismo del glucógeno.

Utilizando distintos mutantes afectados tanto en la síntesis como en la degradación de este polisacárido, se analiza que influencia tienen sobre la capacidad fotosintética celular y como se redistribuye el carbono según el punto de afectación del proceso. Estamos interesados en el efecto que tiene la producción de gránulos de glucógeno de estructura aberrante en la viabilidad celular. Además de identificar aquellas proteínas que estén directamente asociadas al gránulo que puedan tener un papel regulador en la dinámica de este. Por otra parte, en mutantes afectados en la síntesis de glucógeno el metabolismo de la glucosa, añadida externamente, produce alteraciones metabólicas que afectan tanto al proceso fotosintético como a la viabilidad celular. Pretendemos conocer cuáles son los mecanismos que provocan dicha interferencia.

3. Estado redox celular y metabolismo fotosintético.

En esta línea se estudia una amplia colección de mutantes afectados en el sistema redox FTR-Trx, (Ferredoxina tiorredoxina reductasa-Tiorredoxina). Con respecto a las Trx, los resultados previos obtenidos indican claramente que la tiorredoxina más abundante de las cianobacterias, TrxA (equivalente a la tiorredoxina m de plantas) es esencial. El análisis detallado de un mutante de TrxA condicional nos está permitiendo dilucidar sus múltiples funciones, entre las que destaca su interacción con la maquinaria traduccional. Estamos interesados en el análisis de los mutantes en diferentes condiciones nutricionales (diferentes concentraciones de CO₂ y fuentes de nitrógeno). Mediante estudios metabólicos pretendemos definir su papel además en el control del Ciclo de Calvin y en la distribución tanto de azúcares, como de aminoácidos en función del nivel de TrxA. Un objetivo dentro de esta línea es la caracterización de los mutantes en la reductasa (FTR), disponemos ya de mutantes condicionales, que presentan un carácter pleiotrópico como ocurre con los mutantes en TrxA. Se espera una incidencia mayor en la viabilidad celular en estos mutantes ya que deben alterar radicalmente el estado redox global.

4. Papel del exosoma en la adaptación al estrés ambiental.

Las cianobacterias son capaces de excretar al medio de cultivo metabolitos, proteínas y ácidos nucleicos, como hemos podido analizar con diversos mutantes de afectación metabólica indicados en las líneas anteriores. Pretendemos conocer con detalle, cómo y cuándo se excretan estos compuestos y si muchos de estos compuestos tienen una correlación con las condiciones ambientales en las que se encuentra el cultivo. Además, estudios previos en colaboración con otros grupos de investigación sugieren que Synechocystis es capaz de formar vesículas extracelulares que pueden tener un papel relevante en la homeostasis frente a metales. Conocer las condiciones en las que estas vesículas se producen y la naturaleza de su contenido puede ayudarnos a entender el papel que juegan en la adaptación a las condiciones ambientales de estos organismos.