Resucitan enzimas para viajar en el tiempo
Al reconstruir enzimas de miles de millones de años
de rubisco, un equipo de investigadores de Max Planck ha descifrado una de las
adaptaciones clave de la fotosíntesis temprana.
Sus
resultados, ahora publicados en Science, no solo brindan información sobre la
evolución de la fotosíntesis moderna, sino que también ofrecen nuevos impulsos
para mejorarla.
La vida actual depende completamente de organismos
fotosintéticos como plantas y algas que capturan y convierten el CO2. En el
corazón de estos procesos se en cuentra una enzima llamada RuBisCO (de nombre
completo ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa), que captura más de
400.000 millones de toneladas de CO2 al año.
Los organismos vivos hoy en día la producen en
cantidades asombrosas: la masa de rubisco en nuestro planeta supera a la de
todos los humanos. Para asumir un papel tan dominante en el ciclo global del
carbono, rubisco tuvo que adaptarse constantemente a las condiciones ambientales
cambiantes.
Usando una
combinación de enfoques computacionales y sintéticos, un equipo del Instituto Max-Planck
de Microbiología Terrestre, en colaboración con la Universidad de Singapur, ha
resucitado y estudiado con éxito enzimas de miles de millones de años en el
laboratorio.
En este proceso, que describen como
"paleontología molecular", los investigadores encontraron que en
lugar de mutaciones directas en el centro activo, un componente completamente
nuevo preparó la fotosíntesis para adaptarse a los niveles crecientes de
oxígeno.
Rubisco es
antigua: surgió hace aproximadamente 4.000 millones de años en el metabolismo
primordial antes de la presencia de oxígeno en la tierra. Sin embargo, con la
invención de la fotosíntesis productora de oxígeno y el aumento de oxígeno en
la atmósfera, la enzima comenzó a catalizar una reacción no deseada, en la que
confunde el O2 con el CO2 y produce metabolitos que son tóxicos para la célula.
Este alcance de sustrato confuso todavía marca a
rubisco hasta la fecha y limita la eficiencia fotosintética. Aunque los
rubiscos que evolucionaron en entornos que contenían oxígeno se volvieron más
específicos para el CO2 con el tiempo, ninguno de ellos pudo deshacerse por
completo de la reacción de captura de oxígeno.
Los determinantes moleculares del aumento de la
especificidad de CO2 en rubisco siguen siendo en gran parte desconocidos. Sin
embargo, son de gran interés para los investigadores que buscan mejorar la
fotosíntesis. Curiosamente, aquellos rubiscos que muestran una mayor
especificidad de CO2 reclutaron un nuevo componente proteico de función
desconocida.
Se sospechaba que este componente estaba involucrado
en el aumento de la especificidad del CO2, sin embargo, la verdadera razón de
su aparición sigue siendo difícil de determinar porque ya evolucionó hace miles
de millones de años.
Para
comprender este evento clave en la evolución de rubiscos más específicos, los
colaboradores del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre y la
Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur utilizaron un algoritmo
estadístico para recrear formas de rubiscos que existieron hace miles de
millones de años, antes de que comenzaran a aumentar los niveles de oxígeno.
El equipo dirigido por los investigadores de Max
Planck Tobias Erb y Georg Hochberg resucitó estas antiguas proteínas en el
laboratorio para estudiar sus propiedades. En particular, los científicos se
preguntaron si el nuevo componente de rubisco tenía algo que ver con la evolución
de una mayor especificidad.
La
respuesta fue sorprendente, como explica en un comunicado el investigador
doctoral Luca Schulz: "Esperábamos que el nuevo componente de alguna
manera excluyera directamente el oxígeno del centro catalítico de rubisco. Eso
no es lo que sucedió.
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 en la subunidad catalítica de rubisco.
Las mutaciones previamente intrascendentes repentinamente tuvieron un gran
efecto en la especificidad cuando este nuevo componente estaba presente. Parece
que tener esta nueva subunidad cambió por completo el potencial evolutivo de
rubisco".
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