Light in biology as a measuring tool and as an environmental cue

Abstract

"Tanto en los organismos como en la biología las interacciones de la luz con la materia tienen varias consecuencias. Para los organismos, una de las consecuencias ha sido el desarrollo de proteínas fotorreceptoras, con las cuales los organismos pueden adaptase mejor a las condiciones impuestas por la radiación solar. Por otro lado, la biología actual se beneficia de las interacciones luz-materia por medio de técnicas ópticas como la microscopía, la espectroscopia y los ensayos de fluorescencia entre muchos otros. En este trabajo se presentan dos técnicas ópticas para el estudio de procesos biológicos y se describe un nuevo efecto de la luz azul sobre el fotorreceptor VIVID (VVD). Primero, se presenta un método para potenciar la microscopía de campo claro por medio del procesamiento digital de imágenes, el cual permite visualizar objetos de fase con suficiente contraste tal que, por primera vez, fue posible adquirir la función de dispersión de punto para objetos de fase (FDPf) y se mostró que es posible aplicar algoritmos de deconvolución estándar para mejorar la calidad de las imágenes de células no teñidas. En segundo lugar, se construyó un sistema de pinzas ópticas para el estudio de moléculas individuales. El correcto funcionamiento de nuestro sistema de pinzas ópticas fue validado por medio de dos ensayos estándar: se midieron las propiedades elásticas de una cadena de ADN y se midió la fuerza máxima ejercida y el tamaño de paso del motor molecular cinesina. En tercer lugar, se trabajó con la flavoproteína fotorreceptora de luz azul VVD, la cual pertenece al hongo filamentoso Neurospora crassa. Se mostró que en condiciones in vitro VVD presenta agregación al ser oxidada por especies reactivas de oxígeno producidas por la misma proteína. Encontramos que la sensibilidad de VVD a la luz, el oxígeno y la temperatura regulan la cinética de agregación de la proteína. Con base en nuestras observaciones dilucidamos la ruta de agregación de VVD y proponemos que su agregación podría tener efectos en el hongo N. crassa."

"For organisms as for biology the light-matter interactions have several consequences. For organisms, one of these consequences has been the development of proteins specialized in light detection which provide organisms with a better fit to sunlight cues. On the other hand, current biology exploits the lightmatter interactions through optical techniques such as microscopy, spectroscopy, and fluorescence assays among many others. Herein two optical techniques to study biological processes and a new effect of blue light over the photoreceptor protein VIVID (VVD) are presented. First, the power of bright field light microscopy was enhanced by digital image processing, which allows us to visualize subdiffraction phase objects with enough contrast to acquire, for the first time, the phase point-spread function (PSFP) of a bright field light microscope. As a proof of concept, we used the measured PSFP to apply conventional deconvolution to bright field images, increasing image contrast and the definition of boundaries in unstained cellular samples. Second, an optical tweezers apparatus for singlemolecule studies was built and tested by performing two standard single-molecule assays: stretching single dsDNA molecules, and measuring the step size and maximum sustainable load for the molecular motor kinesin. Third, the flavin-binding blue-light (BL) photoreceptor VIVID from the filamentous fungus Neurospora crassa was shown to present an in vitro aggregation mechanism triggered by a self-produced reactive oxygen species (ROS). We found that VIVID (VVD) is sensitive to light, oxygen and temperature and these factors modulate the aggregation of the protein. Based on our observations we elucidate an aggregation pathway for VVD and propose aggregation as a possible mechanism to regulate diverse processes in N. crassa."