Regreso al futuro de la fotosíntesis
Los viajes científicos en el tiempo pueden proporcionar información valiosa para el futuro
El biocatalizador central de la fotosíntesis, la Rubisco, es la enzima más abundante de la Tierra. Pero, ¿cómo evolucionó la Rubisco y cómo se adaptó a los cambios ambientales durante la historia de la Tierra? Mediante la reconstrucción de enzimas de mil millones de años, un equipo de investigadores del Max Planck ha descifrado una de las adaptaciones clave de la fotosíntesis primitiva. Sus resultados no sólo proporcionan información sobre la evolución de la fotosíntesis moderna, sino que también ofrecen nuevos impulsos para mejorarla.
Impresión artística de los Rubiscos primordiales antes y después del desarrollo de una nueva subunidad, con las moléculas de oxígeno y dióxido de carbono fluyendo hacia sus sitios activos.
© Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology/Hochberg
La vida actual depende totalmente de organismos fotosintéticos como las plantas y las algas que capturan y convierten el CO2. En el corazón de estos procesos se encuentra una enzima llamada Rubisco que captura más de 400.000 millones de toneladas de CO2 al año. Los organismos vivos hoy en día fabrican cantidades asombrosas: la masa de Rubisco en nuestro planeta supera a la de todos los seres humanos. Para asumir un papel tan dominante en el ciclo global del carbono, la Rubisco ha tenido que adaptarse constantemente a las cambiantes condiciones ambientales. Mediante una combinación de métodos computacionales y sintéticos, un equipo del Instituto Max-Planck de Microbiología Terrestre de Marburgo (Alemania), en colaboración con la Universidad de Singapur, ha logrado resucitar y estudiar en el laboratorio enzimas de mil millones de años de antigüedad. En este proceso, que describen como "paleontología molecular", los investigadores descubrieron que, en lugar de mutaciones directas en el centro activo, un componente totalmente nuevo preparaba la fotosíntesis para adaptarse al aumento de los niveles de oxígeno.
La confusión temprana de la Rubisco
La rubisco es antigua: surgió hace aproximadamente cuatro mil millones de años en el metabolismo primordial, antes de la presencia del oxígeno en la Tierra. Sin embargo, con la invención de la fotosíntesis productora de oxígeno y el aumento del oxígeno en la atmósfera, la enzima empezó a catalizar una reacción no deseada, en la que confunde el O2 con el CO2 y produce metabolitos tóxicos para la célula. Esta confusión de sustrato sigue marcando a los Rubiscos hasta la fecha y limita la eficiencia fotosintética. Aunque los Rubiscos que evolucionaron en ambientes que contienen oxígeno se volvieron más específicos para el CO2 con el tiempo, ninguno de ellos pudo deshacerse completamente de la reacción de captación de oxígeno.
Los determinantes moleculares de la mayor especificidad para el CO2 en la Rubisco siguen siendo en gran medida desconocidos. Sin embargo, son de gran interés para los investigadores que pretenden mejorar la fotosíntesis. Curiosamente, los Rubiscos que muestran una mayor especificidad de CO2 reclutaron un nuevo componente proteico de función desconocida. Se sospecha que este componente está implicado en el aumento de la especificidad del CO2, pero la verdadera razón de su aparición sigue siendo difícil de determinar porque ya evolucionó hace miles de millones de años.
Estudiar la evolución resucitando antiguas proteínas en el laboratorio
Para entender este acontecimiento clave en la evolución de los Rubiscos más específicos, los colaboradores del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre de Marburgo y de la Universidad Tecnológica de Nanyang de Singapur utilizaron un algoritmo estadístico para recrear formas de Rubiscos que existían hace miles de millones de años, antes de que los niveles de oxígeno comenzaran a aumentar.
El equipo dirigido por los investigadores del Max Planck, el Prof. Dr. Tobias Erb y el Dr. Georg Hochberg, resucitó estas antiguas proteínas en el laboratorio para estudiar sus propiedades. En particular, los científicos se preguntaban si el nuevo componente de Rubisco tenía algo que ver con la evolución de la mayor especificidad.
La respuesta fue sorprendente, como explica el investigador doctoral Luca Schulz: "Esperábamos que el nuevo componente excluyera de algún modo directamente el oxígeno del centro catalítico de Rubisco. No fue así. En cambio, esta nueva subunidad parece actuar como un modulador de la evolución: el reclutamiento de la subunidad cambió el efecto que las mutaciones posteriores tenían sobre la subunidad catalítica de Rubisco. Las mutaciones, antes intrascendentes, tuvieron de repente un enorme efecto sobre la especificidad cuando este nuevo componente estaba presente. Parece que tener esta nueva subunidad cambió por completo el potencial evolutivo de Rubisco".
La adicción de una enzima a su nueva subunidad
Esta función de "modulador evolutivo" también explica otro aspecto misterioso del nuevo componente proteico: Los rubiscos que lo incorporaron son completamente dependientes de él, a pesar de que otras formas de Rubisco pueden funcionar perfectamente sin él. El mismo efecto modulador explica el porqué: Cuando se une a este pequeño componente proteico, la Rubisco se vuelve tolerante a mutaciones que, de otro modo, serían catastróficamente perjudiciales. Con la acumulación de tales mutaciones, la Rubisco se vuelve efectivamente adicta a su nueva subunidad.
En conjunto, los hallazgos, publicados recientemente en la revista "Science", explican por fin la razón por la que Rubisco mantuvo este nuevo componente proteico desde que lo encontró. El jefe del grupo de investigación Max Planck, Georg Hochberg, explica: "El hecho de que esta conexión no se comprendiera hasta ahora pone de manifiesto la importancia del análisis evolutivo para comprender la bioquímica que impulsa la vida a nuestro alrededor. La historia de biomoléculas como la Rubisco puede enseñarnos mucho sobre por qué son como son hoy. Y todavía hay muchos fenómenos bioquímicos de cuya historia evolutiva no tenemos ni idea. Así que es un momento muy emocionante para ser un bioquímico evolutivo: casi toda la historia molecular de la célula está aún por descubrir".
Los viajes científicos hacia atrás en el tiempo pueden aportar conocimientos muy valiosos para el futuro
El estudio también tiene importantes implicaciones para mejorar la fotosíntesis, afirma el biólogo sintético y director del Max Planck, Tobias Erb: "Nuestra investigación nos ha enseñado que los intentos tradicionales de mejorar la Rubisco podrían haber estado buscando en el lugar equivocado: durante años, la investigación se centró únicamente en cambiar los aminoácidos de la propia Rubisco para mejorarla. Nuestro trabajo sugiere ahora que añadir componentes proteínicos completamente nuevos a la enzima podría ser más productivo y podría abrir caminos evolutivos que de otro modo serían imposibles. Este es un terreno inexplorado para la ingeniería de enzimas, y estamos entusiasmados por ver a dónde nos llevará".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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