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Summary (Sep 16, 2002): El biólogo molecular de la NAI, Michael Cummings, estudia una de las más básicas interacciones que un organismo tiene con su medio ambiente - la percepción de la luz y del color. ¿Pero tiene el mundo, los mismos colores para todos?
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Traductor : Liberto Brun Compte
Publicado :2003-04-19
Temas :VIDA,MICROBIOLOGIA,
Artículo original en inglés
La Biología Molecular de la Luz y la Percepción del Color.
2002-09-16
Por: Daniella Scalice y Anna Lee Strachan.
¿Usted ve lo que yo veo?
El biólogo molecular de la NAI, Michael Cummings, estudia una de las más básicas interacciones que un organismo tiene con su medio ambiente - la percepción de la luz y del color. ¿Pero tiene el mundo, los mismos colores para todos?
Basado en una entrevista con el científico de la NAI, Michael Cummings del Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole, Massachusetts, en Agosto del 2001. -
¿Verán todos los organismos al universo del mismo color? ¿Es el cielo "azul" para un gorila, una serpiente o para una libélula? En nuestro estudio de Astrobiología, el hacer una pregunta tan decepcionantemente sencilla para entender mejor la vida tal y como la conocemos, nos conducirá a tomar las decisiones a medida que busquemos vida en otros lugares. El estudio de la relación entre los organismos y su medio ambiente es la clave para interpretar la evolución de cualquier forma de vida, ya sea aquí en la tierra o extraterrestre. Ya que una gran parte de la biosfera aquí en la Tierra y potencialmente en otros planetas está iluminada por el Sol o por otra estrella, una de las más sofisticadas de estas interacciones puede ser la percepción de la luz por un organismo. Quizá aún sea más sutil la percepción del color, una propiedad de la luz.
Por supuesto, un gorila y una serpiente pueden ver mundos muy diferentes. La percepción de color puede ser drásticamente diferente entre las especies. Por ejemplo, las libélulas pueden ver más "colores" que nosotros - su rango en el espectro luminoso se extiende a las partes del ultravioleta y del infrarrojo. Aunque este concepto puede ser difícil de entender, imagínese tener la habilidad de Superman para detectar el infrarrojo: los objetos más fríos como mesas y sillas pueden verse en un tono azulado, mientras que los objetos más cálidos como el cuerpo humano puede aparecer más rojizo. De hecho, esta es casi precisamente la forma como las libélulas y otros insectos perciben la parte infrarroja del espectro. Michael Cummings, un investigador en el Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole, Massachusetts, sugiere, "Ustedes deben imaginarse algún color más violeta que el violeta y algún color más rojo que el rojo." Cummings estudia la biología molecular de la luz y la percepción del color en las libélulas y especies similares.
Cuatro vistas de la rodopsina con sus cromóforos, 11-CIS-retinal, basado en la estructura del cristal en 3D. Propiedad de la Imagen: Palczewski, K. Science 289 pg. 739
Más específicamente, Cummings trabaja con una familia de proteínas denominadas opsinas, las cuales son responsables de las reacciones celulares iniciales involucradas en la percepción de la luz. Las opsinas son miembros de una familia proteínica mayor llamada receptores apareados G-proteína, que Cummings las apoda "los ojos, oídos y nariz de una célula." Localizadas en las membranas celulares de la retina en una amplia gama de organismos, las opsinas son los "ojos" de esa familia proteínica. Las opsinas están químicamente unidas a una molécula denominada retinal (un tipo de cromóforo), que es un derivado de la Vitamina A. La molécula de opsina forma una bolsa tridimensional en la cual se asienta el cromóforo. Este emparejamiento molecular, llamado el complejo opsin-cromóforo, es responsable de la percepción de la luz. El cromóforo absorbe luz, cambia de forma y a su vez causa que la opsina cambie de forma. Se inicia toda una serie de reacciones moleculares dentro de la célula, denominados cascada de señales, y da como resultado que las células de la retina envíen una señal eléctrica a la parte del cerebro responsable de la percepción de la luz, el tectum en los humanos. Como resultado, dice Cummings, "creemos que vemos algo."
11-cis-retinal, el cromóforo en las libélulas, absorbe la luz en una longitud de onda fija, pero, dice Cummings, "la visión se encuentra dentro de un espectro mayor." ¿Qué explicación tiene esto? La diferencia radica no en el cromóforo sino más bien en la opsina. Cada molécula de opsina está hecha de una secuencia ligeramente diferente de amino ácidos y puede de ahí, variar un poco en su forma tridimensional. Estas ligeras diferencias entre las moléculas de opsina dentro de un organismo y especies semejantes, se cree que sean las responsables de la percepción de las diferentes longitudes de onda de la luz. Cada complejo opsin-cromóforo puede considerarse como detector de un color específico. Todas las longitudes de onda caen sobre este complejo, pero sólo un rango muy estrecho de longitudes de onda (digamos que correspondientes al verde) es retransmitido al cerebro y eventualmente es percibido. Esta canalización de la luz por el complejo opsin-cromóforo es denominada "sintonización espectral."
El espectro, consistente de una amplia gama de longitudes de onda de energía (rayos X, micro ondas, luz visible, ondas de radio), esta sintonizado a un pico de longitud de onda por cada complejo opsin-cromóforo. Es la integración de cada longitud de onda de cada complejo de opsin-cromóforo en el organismo lo que produce la gama de colores que el organismo puede ver. Los humanos tenemos tres opsinas, cada una con su propio gene - uno para el rojo, uno para el verde y uno para el azul. Las libélulas tienen seis, de ahí que el rango de colores que pueden ver sea mayor. El mundo es un lugar diferente para ellas, uno con más detalles y colores que los ojos humanos no podemos detectar sin la utilización de tecnología adicional.
Así que ¿cómo influyen estas sutiles diferencias en las secuencias de opsin amino ácidos en cada complejo opsin-cromóforo al sintonizar el espectro para una longitud de onda determinada? Cummings esta notando las diferencias en las posiciones específicas de amino ácidos a lo largo de la molécula de opsina, "la mayoría de las cuales se encuentran dentro de las hélices trans membrana. Algunas de ellas, estructuralmente, se saben que estén cerca de las uniones cromóforas," dice Cummings. "De alguna forma, los cambios en los que están asentados los amino ácidos en esas posiciones son importantes para el ajuste espectral ya que moderan a lo que responden las longitudes de onda de la luz de los complejos de opsin-cromóforo."
El metabolismo aún no es conocido, pero existen algunas ideas. Cummings especula que las diferencias en las secuencias de opsina amino ácido pueden ocasionar que cada opsina reciba la energía del cromóforo de una forma diferente. O, quizá, las diferencias explican la flexibilidad en la extensión del cambio resultante en la forma experimentado por la opsina. Cualquiera que sea el caso, lo que se sabe es que las diferencias de opsina a opsina - dentro de un organismo y a través de las especies similares - son sutiles. Cada opsina " aún sigue ligada al cromóforo, aún mantiene siete hélices trans membrana y aún funciona en un amplio sentido," dice Cummings.
Opsina Bovina mostrando las 7 trans-membranas helicoidales.
Propiedad de la Imagen: Palczewski, K. Science 289 pg. 739
Habrá más respuestas disponibles a medida que se produzcan más cristales de estructuras tridimensionales de opsinas. Hasta ahora, sólo la opsina bovina (de vaca) es la disponible para el estudio de su análisis estructural. Con más estructuras del cristal a examinar, Cummings y otros serán capaces de ver las diferencias de opsina a opsina, relacionarlas con las diferencias en la composición del amino ácido, y más adelante armar el rompecabezas de la percepción de la luz y del color.
Esta investigación nos demuestra como el más sutil cambio en el nivel molecular (un cambio mínimo en la secuencia del amino ácido de una proteína) puede ocasionar cambios dramáticos a todo el organismo (un cambio potencialmente drástico de la forma como se ve el mundo a través de nuestros ojos). Nos ofrece un entendimiento de la delicada conexión entre el mundo molecular y el mundo alrededor de nosotros - entre el organismo y su medio ambiente. Y, como parte de la Astrobiología, nos permite ser perspicaces al explorar los ecosistemas extraterrestres.
El campo de interés de Michael Cummings es en la evolución molecular y la genética e incluye los diseños y procesos de la secuencia de evolución del DNA. El punto principal de su investigación es el análisis comparativo de las relaciones genotipo-fenotipo, especialmente la percepción de la luz por un organismo, utilizando modelos estadísticos de tipo ramificado. Utilizando métodos de biología molecular, genética de población, sistemática, estadísticas y ciencias de la computación, el Dr. Cummings puede estudiar niveles de organización biológica con la ayuda de estudios empíricos y estudios basados en computación.
Astroseti.org
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