Células alimentadas por energía solar: las bombas de protones activadas por luz generan energía celular y prolongan la vida

Nueva investigación en la revista. Naturaleza Envejecimiento toma una página del campo de la energía renovable y muestra que las mitocondrias modificadas genéticamente pueden convertir la energía de la luz en energía química que las células pueden usar y, en última instancia, prolongar la vida del gusano redondo C. elegans. Si bien la perspectiva de células cargadas de luz solar en humanos es más ciencia ficción que ciencia, los hallazgos arrojan luz sobre mecanismos importantes en el proceso de envejecimiento.

«Sabemos que la disfunción mitocondrial es una consecuencia del envejecimiento», dijo Andrew Wojtovich, Ph.D., profesor asociado de Anestesiología y Medicina Perioperatoria y Farmacología y Fisiología en el Centro Médico de la Universidad de Rochester y autor principal del estudio.

«Este estudio encontró que simplemente aumentar el metabolismo usando mitocondrias alimentadas por luz les dio a los gusanos de laboratorio vidas más largas y saludables. Estos hallazgos y las nuevas herramientas de investigación nos permitirán estudiar más a fondo las mitocondrias e identificar nuevas formas de tratar enfermedades relacionadas con la edad y envejecer de manera más saludable».

Las mitocondrias son orgánulos que se encuentran en la mayoría de las células del cuerpo. A menudo denominadas plantas de energía celular, las mitocondrias usan glucosa para producir trifosfato de adenosina (ATP), el compuesto que proporciona energía para funciones clave en la célula, como la contracción muscular y los impulsos eléctricos que ayudan a las células nerviosas a comunicarse entre sí.

La producción de ATP es el resultado de una serie de reacciones posibles por el intercambio de protones a través de una membrana que separa diferentes compartimentos en las mitocondrias, formando finalmente un proceso llamado potencial de membrana. Se ha demostrado que el potencial de membrana disminuye con la edad, lo que podría desempeñar un papel en una serie de enfermedades relacionadas con la edad, como los trastornos neurodegenerativos.

La nueva investigación involucró a C. elegans, un gusano redondo microscópico que, al igual que la mosca de la fruta Drosophila, ha sido durante mucho tiempo una herramienta de investigación utilizada por los científicos para comprender los principios biológicos básicos que, en muchos casos, se aplican en todo el reino animal.

Para llevar a cabo los experimentos, un equipo de investigadores de EE. UU. y Alemania adaptó una herramienta de investigación existente que les permitía manipular la actividad en las mitocondrias. La técnica, llamada optogenética, se ha utilizado tradicionalmente para apuntar y activar neuronas específicas, lo que permite a los investigadores estudiar con mayor precisión los patrones de actividad cerebral.

Los investigadores modificaron genéticamente las mitocondrias de C. elegans para incluir una bomba de protones activada por luz obtenida de un hongo, un logro que el equipo describió por primera vez en un artículo de 2020 en la revista Informes OEMB.

En el nuevo estudio, cuando se exponen a la luz, las bombas de protones mueven iones cargados a través de la membrana, utilizando la energía de la luz para cargar las mitocondrias. Este proceso, que los investigadores denominaron mitocondria-ON (mtON), aumentó el potencial de membrana y la producción de ATP, y resultó en un aumento del 30-40% en la vida útil de los gusanos redondos.

Brandon Berry, Ph.D., quien recibió su doctorado en fisiología de la Universidad de Rochester y ahora es becario postdoctoral en la Universidad de Washington, es el primer autor de ambos estudios. «Las mitocondrias son similares a las centrales eléctricas industriales en el sentido de que queman una fuente de carbono, principalmente glucosa, para producir energía útil para la célula», dijo Berry.

«Lo que hemos hecho es esencialmente conectar un panel solar a la infraestructura de la planta de energía existente. En este caso, el panel solar es la herramienta optogenética mtON. La maquinaria mitocondrial normal puede aprovechar la energía de la luz para proporcionar ATP además a la vía de combustión normal».

El estudio es importante porque brinda a los investigadores una mayor comprensión de las complejas funciones biológicas que desempeñan las mitocondrias en el cuerpo humano, un tema que la comunidad científica recién ahora comienza a comprender. El estudio también crea un nuevo método para manipular y estudiar las mitocondrias en el entorno de una célula viva. Esto podría servir como una plataforma importante para estudiar las mitocondrias e identificar formas de intervenir y apoyar la función.

«Necesitamos entender más acerca de cómo se comportan realmente las mitocondrias en un animal», dijo Berry. «Primero en gusanos, como el estudio actual, pero luego en células humanas en cultivo y en roedores. De esa manera, la investigación futura estará bien informada para apuntar a los jugadores más probables en la enfermedad humana y el envejecimiento».