La expresión heteróloga de proteínas transportadoras de oxígeno aumenta la profundidad de la difusión de oxígeno en la levadura de copo de nieve. (A) Diagrama esquemático que muestra la construcción de cepas de levadura copo de nieve que expresan mioglobina o miohemeritrina fusionadas a la posición HO. (B) Cuantificación de la profundidad de difusión de oxígeno utilizando el indicador mitocondrial MitoLoc en poblaciones de levadura de copo de nieve que expresan proteínas de unión a oxígeno o controles de tipo salvaje bajo limitación de oxígeno. La expresión de miohemeritrina y mioglobina aumentó significativamente la profundidad de la difusión de oxígeno, pero sólo en un ambiente con bajo contenido de oxígeno. Los datos son micrografías de fluorescencia representativas ± sd (C) de MitoLoc que muestran una mayor profundidad de penetración de oxígeno (amarillo) en poblaciones que expresan mioglobina (derecha) en comparación con el control de tipo salvaje (izquierda) con niveles bajos de oxígeno. – biorxiv.org/
La disponibilidad de oxígeno es un factor clave en el desarrollo multicelular, y los organismos más grandes y avanzados a menudo requieren mecanismos que permitan el suministro eficiente de oxígeno a sus tejidos. Uno de esos mecanismos es la presencia de proteínas transportadoras de oxígeno, como la globina y la hemeritrina, que surgieron en los antepasados de los animales diploides.
A pesar de su importancia, aún no están claros los mecanismos precisos por los cuales las proteínas transportadoras de oxígeno afectaron las primeras etapas del desarrollo multicelular bajo diferentes niveles ambientales de oxígeno. Abordamos esta brecha de conocimiento expresando heterólogamente las proteínas transportadoras de oxígeno mioglobina y miohimmetrina en levadura de copo de nieve, un sistema modelo multicelular simple e indiferenciado. Estas proteínas aumentaron la profundidad y la tasa de difusión de oxígeno, aumentando la eficiencia del crecimiento aeróbico de la levadura en forma de copo de nieve.
Los experimentos muestran que, paradójicamente, las proteínas que se unen al oxígeno confieren un mayor beneficio físico a los organismos más grandes en condiciones de alto contenido de O2 que en condiciones de bajo. Mostramos a través de modelos biofísicos que esto se debe a que la difusión facilitada es más eficiente cuando el oxígeno es abundante, transportando una mayor cantidad de oxígeno que puede usarse para el metabolismo.
Al relajar las limitaciones anatómicas de difusión del consumo de oxígeno, la evolución de las proteínas de unión a O2 en los protistas modernos ricos en oxígeno puede haber sido un gran avance que permitió la evolución de linajes de metazoos multicelulares cada vez más grandes y complejos.
Estudiando el papel de las proteínas transportadoras de oxígeno en el desarrollo multicelular temprano
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.12.01.569647v1
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