Chlamydomonas reinhardtii -Chlamydomonas reinhardtii

Chlamydomonas reinhardtii
Classificação científica
(não classificado):	Viridiplantae
Filo:	Clorófita
Classe:	Clorofíceas
Pedido:	Chlamydomonadales
Família:	Chlamydomonadaceae
Gênero:	Chlamydomonas
Espécies:	C. reinhardtii
Nome binomial
Chlamydomonas reinhardtii PADang.

Chlamydomonas reinhardtii é uma alga verde unicelular com cerca de 10 micrômetros de diâmetro que nada com dois flagelos . Ele tem uma parede celular feita de glicoproteínas ricas em hidroxiprolina , um grande cloroplasto em forma de xícara, um grande pirenóide e uma mancha ocular que detecta a luz.

As espécies de Chlamydomonas são amplamente distribuídas em todo o mundo em solo e água doce. Chlamydomonas reinhardtii é um organismo modelo biológico especialmente bem estudado, em parte devido à sua facilidade de cultivo e capacidade de manipular sua genética. Quando iluminado, C. reinhardtii pode crescer fotoautotroficamente, mas também pode crescer no escuro se fornecido com carbono orgânico. Comercialmente, C. reinhardtii tem interesse na produção de biofármacos e biocombustíveis, além de ser uma valiosa ferramenta de pesquisa na produção de hidrogênio .

História

A cepa de laboratório de tipo selvagem c137 (mt +) de C. reinhardtii se origina de um isolado feito perto de Amherst, Massachusetts , em 1945 por Gilbert M. Smith.

O nome da espécie foi escrito de várias maneiras diferentes por causa de diferentes transliterações do nome do russo: reinhardi , reinhardii e reinhardtii se referem à mesma espécie, C. reinhardtii Dangeard.

Organismo modelo

Chlamydomonas é usado como um organismo modelo para a pesquisa sobre questões fundamentais na biologia celular e molecular, tais como:

• Como as células se movem?
• Como as células respondem à luz?
• Como as células se reconhecem?
• Como as células geram formas de onda flagelares regulares e repetíveis ?
• Como as células regulam seu proteoma para controlar o comprimento flagelar ?
• Como as células respondem às mudanças na nutrição mineral? (nitrogênio, enxofre, etc.)

Existem muitos mutantes conhecidos de C. reinhardtii . Esses mutantes são ferramentas úteis para estudar uma variedade de processos biológicos, incluindo motilidade flagelar, fotossíntese e síntese de proteínas . Como as espécies de Chlamydomonas são normalmente haplóides, os efeitos das mutações são vistos imediatamente, sem cruzamentos adicionais.

Em 2007, a seqüência completa do genoma nuclear de C. reinhardtii foi publicada.

Channelrodopsina -1 e Channelrodopsina -2, proteínas que funcionam como canais de cátions protegidos por luz , foram originalmente isoladas de C. reinhardtii . Essas proteínas e outras semelhantes são cada vez mais utilizadas no campo da optogenética .

Significado mitocondrial

O genoma de C. reinhardtii é significativo para o estudo mitocondrial, pois é uma espécie em que os genes para 6 das 13 proteínas codificadas para a mitocôndria são encontrados no núcleo da célula, deixando 7 na mitocôndria. Em todas as outras espécies, esses genes estão presentes apenas na mitocôndria e não podem ser expressos alotopicamente. Isso é significativo para o teste e desenvolvimento de terapias para doenças mitocondriais genéticas.

Reprodução

As células vegetativas das espécies reinhardtii são haplóides com 17 pequenos cromossomos . Sob a privação de nitrogênio , as células vegetativas se diferenciam em gametas haplóides. Existem dois tipos de acasalamento , idênticos em aparência, portanto isogâmicos , e conhecidos como mt (+) e mt (-) , que podem se fundir para formar um zigoto diplóide . O zigoto não está flagelado e funciona como uma forma dormente da espécie no solo. À luz, o zigoto sofre meiose e libera quatro células haplóides flageladas que retomam o ciclo de vida vegetativo.

Em condições ideais de crescimento, as células às vezes podem passar por duas ou três rodadas de mitose antes que as células filhas sejam liberadas da parede celular antiga para o meio. Assim, uma única etapa de crescimento pode resultar em 4 ou 8 células-filhas por célula-mãe.

O ciclo celular desta alga verde unicelular pode ser sincronizado por períodos alternados de luz e escuridão. A fase de crescimento depende da luz, ao passo que, após um ponto designado como ponto de transição ou compromisso, os processos são independentes da luz.

Mancha de olho

C. reinhardtii tem uma mancha ocular semelhante à dos dinoflagelados . A mancha ocular está localizada perto do equador da célula. É composto por uma camada de grânulos rica em carotenóides no cloroplasto que age como um refletor de luz. A principal função da visão é a fototaxia , que consiste no movimento (com os flagelos ) relacionado a um estímulo luminoso. A fototaxia é crucial para a alga e permite a localização do ambiente com ótimas condições de luz para a fotossíntese. A fototaxia pode ser positiva ou negativa dependendo da intensidade da luz. A via fototática consiste em quatro etapas que conduzem a uma mudança no equilíbrio do batimento entre os dois flagelos (o cis-flagelo que é o mais próximo da mancha ocular e o trans-flagelo que é o mais distante da mancha ocular).

Genética

A atratividade das algas como organismo modelo aumentou recentemente com a liberação de vários recursos genômicos para o domínio público. O esboço de Chlre3 da sequência do genoma nuclear de Chlamydomonas preparado pelo Joint Genome Institute do Departamento de Energia dos EUA compreende 1557 andaimes, totalizando 120 Mb. Aproximadamente metade do genoma está contido em 24 andaimes, todos com pelo menos 1,6 Mb de comprimento. A montagem atual do genoma nuclear está disponível online.

O genoma mitocondrial de ~ 15,8 Kb (acesso ao banco de dados: NC_001638) está disponível online no banco de dados do NCBI. O genoma completo do cloroplasto de ~ 203,8 Kb (acesso ao banco de dados: NC_005353) está disponível online.

Além dos dados de sequência genômica, há um grande suprimento de dados de sequência de expressão disponíveis como bibliotecas de cDNA e marcadores de sequência expressa (ESTs). Sete bibliotecas de cDNA estão disponíveis online. Uma biblioteca BAC pode ser adquirida no Clemson University Genomics Institute. Existem também duas bases de dados de> 50.000 e> 160.000 ESTs disponíveis online.

Uma coleção de mutantes em todo o genoma com locais de inserção mapeados cobrindo a maioria dos genes nucleares está disponível: https://www.chlamylibrary.org/ .

Foi demonstrado que o genoma de C. reinhardtii contém N6-metildesoxiadenosina (6mA), uma marca comum em procariotos, mas muito mais rara em eucariotos. Algumas pesquisas indicaram que 6mA em Chlamydomonas pode estar envolvido no posicionamento dos nucleossomos, pois está presente nas regiões de ligação entre os nucleossomos, bem como próximo aos locais de início da transcrição de genes ativamente transcritos.

Evolução

Chlamydomonas tem sido usada para estudar diferentes aspectos da biologia evolutiva e ecologia. É um organismo de escolha para muitos experimentos de seleção porque (1) tem um tempo de geração curto, (2) é tanto um autotrófico quanto um heterotrófico facultativo , (3) pode se reproduzir sexualmente e assexuadamente, e (4) lá é uma riqueza de informações genéticas já disponíveis.

Alguns exemplos (não exaustivos) de trabalho evolutivo feito com Chlamydomonas incluem a evolução da reprodução sexual, o efeito de adaptação das mutações e o efeito da adaptação a diferentes níveis de CO ₂ .

De acordo com uma hipótese teórica frequentemente citada, a reprodução sexual (em contraste com a reprodução assexuada) é mantida adaptativamente em ambientes benignos porque reduz a carga mutacional combinando mutações deletérias de diferentes linhas de descendência e aumenta a aptidão média. No entanto, em um estudo experimental de longo prazo de C. reinhardtii , foram obtidas evidências que contradiziam essa hipótese. Em populações sexuais, não se constatou a ocorrência de eliminação de mutações e não se constatou que a aptidão aumentasse.

Movimento

C. reinhardtii nada graças aos seus dois flagelos, num movimento análogo ao de peito humano . Repetindo este movimento elementar 50 vezes por segundo, as algas têm uma velocidade média de 70 µm / s; a diversidade genética das diferentes cepas resulta em uma ampla gama de valores para esta quantidade. Após alguns segundos de corrida, uma batida assíncrona dos dois flagelos leva a uma mudança aleatória de direção, um movimento denominado "correr e cair". Em uma escala de tempo e espaço maior, o movimento aleatório da alga pode ser descrito como um fenômeno de difusão ativa .

Técnicas de transformação de DNA

A transformação gênica ocorre principalmente por recombinação homóloga no cloroplasto e recombinação heteróloga no núcleo. O genoma do cloroplasto de C. reinhardtii pode ser transformado usando bombardeamento de partículas de microprojéteis ou agitação com esferas de vidro, no entanto, este último método é muito menos eficiente. O genoma nuclear foi transformado com agitação de esferas de vidro e eletroporação. O procedimento biolístico parece ser a forma mais eficiente de introduzir DNA no genoma do cloroplasto. Isso provavelmente ocorre porque o cloroplasto ocupa mais da metade do volume da célula, fornecendo ao microprojétil um grande alvo. A eletroporação tem se mostrado a forma mais eficiente de introduzir DNA no genoma nuclear com frequências máximas de transformação duas ordens de magnitude maiores do que as obtidas com o método de esfera de vidro.

Produção de biofármacos

C. reinhardtii geneticamente modificado tem sido usado para produzir uma proteína amilóide de soro de mamífero, uma proteína de anticorpo humano , fator de crescimento endotelial vascular humano , uma vacina potencial terapêutica do papilomavírus humano 16 , uma vacina potencial contra a malária (uma vacina de algas comestíveis ) e um designer complexo medicamento que pode ser usado para tratar o câncer.

Fonte alternativa de proteína

C. reinhardtii está em produção como uma nova fonte nutricional à base de algas . Em comparação com a Chorella e a Spirulina , C. reinhardtii apresentou mais ácido alfa-linolênico e uma quantidade menor de metais pesados, ao mesmo tempo que continha todos os aminoácidos essenciais e conteúdo de proteína semelhante. A Triton Algae Innovations está desenvolvendo um produto de proteína comercial alternativo feito de C reinhardtii .

Fonte limpa de produção de hidrogênio

Em 1939, o pesquisador alemão Hans Gaffron (1902–1979), que na época estava vinculado à Universidade de Chicago, descobriu o metabolismo do hidrogênio de algas verdes unicelulares. C reinhardtii e algumas outras algas verdes podem, em determinadas circunstâncias, parar de produzir oxigênio e converter-se, em vez disso, na produção de hidrogênio. Essa reação pela hidrogenase , uma enzima ativa apenas na ausência de oxigênio, tem vida curta. Nos trinta anos seguintes, Gaffron e sua equipe desenvolveram a mecânica básica dessa produção de hidrogênio fotossintético pelas algas.

Para aumentar a produção de hidrogênio, várias trilhas estão sendo seguidas pelos pesquisadores.

• A primeira faixa é o desacoplamento da hidrogenase da fotossíntese. Dessa forma, o acúmulo de oxigênio não pode mais inibir a produção de hidrogênio. E, se formos um passo adiante, alterando a estrutura da enzima hidrogenase, torna-se possível torná-la insensível ao oxigênio. Isso torna possível uma produção contínua de hidrogênio. Nesse caso, o fluxo de elétrons necessário para essa produção não provém mais da produção de açúcares, mas é extraído da quebra de seu próprio estoque de amido .
• Uma segunda via é interromper temporariamente, por meio da manipulação genética da hidrogenase, o processo de fotossíntese. Isso impede que o oxigênio atinja um nível em que seja capaz de interromper a produção de hidrogênio.
• A terceira pista, investigada principalmente por pesquisadores na década de 1950, são os métodos químicos ou mecânicos de remoção do O2 produzido pela atividade fotossintética das células das algas. Isso inclui a adição de eliminadores de O2, o uso de redutores adicionados e a purga das culturas com gases inertes. No entanto, esses métodos não são inerentemente escaláveis ​​e podem não ser aplicáveis ​​a sistemas aplicados. Surgiram novas pesquisas sobre a remoção de oxigênio de culturas de algas e podem eliminar problemas de escamação.
• A quarta pista foi investigada, ou seja, usando sais de cobre para desacoplar a ação da hidrogenase da produção de oxigênio.
• A quinta faixa foi sugerida para redirecionar o fluxo de elétrons fotossintéticos da fixação de CO ₂ no ciclo de Calvin para a hidrogenase, aplicando pulsos curtos de luz em algas anaeróbicas ou esgotando a cultura de CO ₂ .

Veja também

• Locomoção Protist # Micro-nadadores Biohybrid

Referências

Leitura adicional

Aoyama, H., Kuroiwa, T. e Nakamura, S. 2009. O comportamento dinâmico das mitocôndrias em zigotos vivos durante a maturação e meiose em Chlamydomonas reinhardtii . EUR. J. Phycol. 44 : 497 - 507.

Jamers, A., Lenjou, M., Deraedt, P., van Bockstaele, D., Blust, R. e de Coen, W. 2009. Análise citométrica de fluxo das algas verdes expostas ao cádmio Chlamydomonas reinhadtii (Chlorophyceae). EUR. J. Phycol. 44 : 54 - 550.

links externos

• The Chlamydomonas Resource Centre - "Um repositório central para receber, catalogar, preservar e distribuir de alta qualidade e confiável tipo selvagem e culturas mutantes da alga verde Chlamydomonas reinhardtii , bem como reagentes moleculares úteis e kits para educação e pesquisa."
• Portal de genômica comparativa de plantas - recursos de Chlamydomonas reinhardtii do Instituto Conjunto do Genoma do Departamento de Energia
• Guiry, MD; Guiry, GM (2008). " Chlamydomonas reinhardtii " . AlgaeBase . Publicação eletrônica mundial, National University of Ireland, Galway.
• Célula de Chlamydomonas reinhardtii , ciclo de vida, linhagens, tipos de acasalamento - banco de dados arquivado.