Discovery and Characterization of Novel Fluorescent Proteins and Chromoproteins from the Intertidal Sea Anemone Anthopleura dowii Verrill 1869

En las profundidades del océano, donde la luz del sol se filtra en tonos cambiantes de azul y verde, muchas criaturas han evolucionado la capacidad de brillar. Este fenómeno depende de una clase especial de moléculas llamadas proteínas fluorescentes. Piensen en estas proteínas como diminutas bombillas autónomas que pueden encenderse mediante el oxígeno. Cuando absorben luz, la reemiten en un color diferente, creando un brillo vívido que varía desde un verde brillante hasta un rojo profundo. Los científicos han utilizado durante mucho tiempo estas fuentes de luz naturales como herramientas para observar cómo funcionan las células, rastreando el movimiento de las moléculas dentro de los organismos vivos. Durante décadas, los investigadores creyeron que estas proteínas brillantes se encontraban principalmente en criaturas que producen su propia luz, como ciertas medusas. Sin embargo, más tarde se descubrió que muchos animales marinos no luminosos, como los corales y las anémonas de mar, también poseen estas proteínas. En estos animales, las proteínas no son solo para lucirse; parecen desempeñar funciones en la protección de las células contra el estrés y en la respuesta al entorno. Sin embargo, un misterio permanece: ¿por qué algunas anémonas de la misma especie se ven completamente diferentes en color? Una puede ser de un amarillo brillante, mientras que su vecina es de un azul o verde profundo, a pesar de compartir el mismo plano genético.

Un equipo de investigadores de la Universidad Nacional Autónoma de México se propuso resolver este enigma estudiando una anémona de mar específica llamada Anthopleura dowii, que se encuentra en las zonas intermareales rocosas de Baja California, México. Estas anémonas son conocidas por sus llamativas variaciones de color, pero las proteínas específicas responsables de estas tonalidades nunca habían sido plenamente identificadas o caracterizadas. Los científicos comenzaron analizando las instrucciones genéticas, o transcriptoma, de la anémona, que había sido secuenciado años antes para estudiar su veneno. Al comparar estos datos genéticos con proteínas fluorescentes conocidas de otras criaturas marinas, encontraron tres candidatos potenciales. Para comprender qué hacen realmente estas proteínas, el equipo no esperó a que las anémonas de mar las produjeran naturalmente. En su lugar, construyeron versiones sintéticas de los genes que codifican estas proteínas e insertaron estos genes en bacterias, específicamente E. coli, que son famosas por su capacidad de fabricar proteínas rápidamente.

Los investigadores cultivaron estas bacterias en dos temperaturas diferentes, treinta grados Celsius y treinta y siete grados Celsius, para ver cómo el entorno afectaba la producción de las proteínas. Los resultados fueron sorprendentes y revelaron un vínculo claro entre la temperatura y el color final de la anémona. Cuando las bacterias se cultivaron a la temperatura más fresca de treinta grados, produjeron con éxito una proteína fluorescente de color amarillo brillante y una proteína fluorescente verde. Sin embargo, a la temperatura más cálida de treinta y siete grados, las bacterias no pudieron fabricar estas dos proteínas en una forma utilizable; se agruparon y quedaron inactivas. En cambio, la temperatura más cálida activó la producción de una tercera proteína, una molécula de color azul oscuro y no fluorescente conocida como cromoproteína. Esta cromoproteína solo apareció cuando las bacterias estaban calientes, y no brillaba en absoluto, a pesar de ser un pariente cercano de las proteínas brillantes.

Este comportamiento dependiente de la temperatura ofrece una explicación convincente para los cambios de color observados en la naturaleza. El estudio sugiere que una sola anémona de mar puede producir diferentes colores dependiendo de la temperatura del agua que experimenta. En condiciones más frescas, el animal podría expresar las proteínas amarilla y verde, dándole una apariencia brillante. En climas más cálidos, podría cambiar a la producción de la cromoproteína azul oscura, cambiando su aspecto por completo. Los investigadores confirmaron esto purificando las proteínas y analizando sus propiedades químicas. Descubrieron que las proteínas amarilla y verde eran altamente eficientes al brillar, siendo la versión amarilla particularmente brillante. La proteína azul, aunque no brillaba, era estable y distinta. Al medir cuánta de cada proteína producían las bacterias, el equipo calculó que la proteína amarilla se producía en cantidades mucho mayores a la temperatura más fresca, mientras que la proteína azul solo se producía a la temperatura más alta.

El trabajo también exploró cómo se construyen estas proteínas. El equipo descubrió que las proteínas amarilla y verde forman grupos de cuatro, una estructura común en las anémonas de mar, mientras que la proteína azul también formaba grupos similares. Investigaron más a fondo por qué las proteínas se comportaban de manera diferente a distintas temperaturas, encontrando que el factor decisivo era la velocidad a la que las bacterias leían las instrucciones genéticas frente a la velocidad a la que las proteínas se plegaban en su forma final. A temperaturas más altas, las proteínas se plegaban demasiado lento para seguir el ritmo de la producción, lo que provocaba agrupamientos. A temperaturas más bajas, se plegaban correctamente. Los investigadores incluso lograron mejorar la producción de la proteína amarilla realizando un pequeño cambio en su código genético, aumentando la cantidad producida diez veces. Este éxito resalta el potencial de estas proteínas naturales para ser diseñadas para nuevos usos, como sensores que camban de color según las condiciones ambientales.

En última instancia, esta investigación conecta los puntos entre los genes de una anémona de mar, la temperatura de su hogar oceánico y los vibrantes colores que exhibe. Muestra que el mismo animal puede usar diferentes "atuendos" de proteínas dependiendo del clima, un fenómeno conocido como polifenismo. Al identificar y caracterizar estas tres proteínas específicas, los científicos han proporcionado una imagen más clara de cómo la naturaleza utiliza herramientas moleculares para adaptarse a los entornos cambiantes. El descubrimiento de estas variantes, particularmente la naturaleza sensible a la temperatura de su producción, profundiza nuestra comprensión de cómo la vida marina sobrevive en las condiciones fluctuantes de la zona intermareal. También abre la puerta a futuras aplicaciones, ya que estas proteínas podrían ser diseñadas para convertirse en nuevas herramientas para la biotecnología, permitiendo a los científicos visualizar procesos biológicos o detectar cambios en el entorno con mayor precisión. El estudio confirma que la diversidad de la vida en el océano no es solo una cuestión de diferentes especies, sino también de cómo una sola especie puede responder de manera flexible al mundo que la rodea.