Cómo la luz determina el ritmo o indica el rumbo a las aves

Un estudio internacional muestra cómo las proteínas fotosensibles controlan el ritmo biológico.

Los resultados se han publicado en la revista Science Advances.

Ya sean humanos, animales o algas, todos los organismos vivos siguen un ritmo interno que se rige por la luz. Hasta ahora no se sabía exactamente cómo ciertas proteínas regulaban este ritmo día-noche.

Un equipo de investigación internacional dirigido por el profesor Lars-Oliver Essen, de la Universidad Philipps de Marburgo, y con la participación de la National Taiwan University (NTU), ha descifrado por primera vez cómo los llamados criptocromos perciben la luz y la transforman en una señal química.

De esta forma, aportan una importante piedra angular para comprender el reloj biológico. Los resultados se han publicado en la revista Science Advances.

Los criptocromos son fotorreceptores que regulan el ritmo circadiano y otros procesos dependientes de la luz en plantas, animales y otros organismos. Utilizan la energía luminosa para desencadenar reacciones químicas que inician procesos metabólicos en el interior de las células.

«Hasta ahora no se sabía con certeza cómo los criptocromos convierten la energía de la luz en modificaciones estructurales que desencadenan la transmisión de señales», explica Lars-Oliver Essen, uno de los autores principales del estudio. «Nuestro trabajo muestra ahora por primera vez cómo interactúan tres dominios moleculares para controlar este proceso».

La luz modifica la estructura proteica

Mediante cristalografía en serie a escala de femtosegundos (SFX), el equipo creó 19 instantáneas de alta resolución que muestran el comportamiento dinámico de CraCRY entre diez nanosegundos y 233 milisegundos después de la incidencia de la luz.

Ensambladas en una película, muestran cómo la luz desencadena la formación de un par radical con electrones no apareados muy espaciados, lo que provoca tres procesos: la estabilización del par radical, la neutralización del cromóforo de flavina (FAD) mediante la captura de protones y la activación de un estado de señalización mediante el despliegue de una larga hélice en la región final de la proteína.

«Vemos por primera vez cómo la luz altera la estructura de un criptocromo de origen animal para generar señales», afirma el Dr. Manuel Maestre-Reyna, autor principal del estudio y profesor de la Universidad Nacional de Taiwán (Taiwán).

El estudio destaca dos mecanismos principales: el llamado «interruptor N395/FAD», que activa una vía de protonación transitoria (TPP) para protonar la molécula de flavina y estabilizar el par radical, y el «interruptor D321/Y373», que desestabiliza la hélice terminal mediante la transferencia de protones e inicia así el cambio de estado de señalización.

«Estos procesos podrían explicar, por ejemplo, cómo los criptocromos de las aves emplean los campos magnéticos para navegar», subraya Essen. La protonación de la flavina en cuestión de microsegundos se ajusta al marco temporal necesario para la magnetorrecepción en las aves, en la que los campos magnéticos influyen en la formación de señales.

Nuevas perspectivas para la investigación del ritmo circadiano de los organismos

Los resultados tienen una gran trascendencia: no sólo aportan conocimientos sobre el funcionamiento de los criptocromos, sino que también podrían impulsar la investigación de enfermedades reguladas por el ritmo circadiano o de sistemas de orientación electromagnética.

«Nuestras imágenes moleculares muestran cómo se entrelazan la luz, la transferencia de protones y los cambios estructurales», explica Essen. «Esto supone un hito para la comprensión de los procesos controlados por la luz en la naturaleza».

La investigación ha contado con el apoyo de la Fundación Alemana de Investigación (DFG), así como de organizaciones de financiación de Taiwán, Japón y Estados Unidos. Además del equipo de Essen en Marburgo, también participaron científicos de Hamburgo, Italia, Francia, Japón, EE.UU. y Suiza.

El estudio empleó láseres de electrones libres de rayos X (XFEL) de última generación, que sólo están disponibles en unos pocos lugares del planeta.