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Al reconstruir enzimas de miles de millones de a\u00f1os de rubisco, un equipo de investigadores de Max Planck ha descifrado una de las adaptaciones clave de la fotos\u00edntesis temprana.<\/p>\n
Sus resultados, ahora publicados en Science, no solo brindan informaci\u00f3n sobre la evoluci\u00f3n de la fotos\u00edntesis moderna, sino que tambi\u00e9n ofrecen nuevos impulsos para mejorarla.<\/p>\n
La vida precise depende completamente de organismos fotosint\u00e9ticos como plantas y algas que capturan y convierten el CO2. En el coraz\u00f3n de estos procesos se en cuentra una enzima llamada RuBisCO (de nombre completo ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa\/oxigenasa), que captura m\u00e1s de 400.000 millones de toneladas de CO2 al a\u00f1o. Los organismos vivos hoy en d\u00eda 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 international del carbono, rubisco tuvo que adaptarse constantemente a las condiciones ambientales cambiantes.<\/p>\n
Usando una combinaci\u00f3n de enfoques computacionales y sint\u00e9ticos, un equipo del Instituto Max-Planck de Microbiolog\u00eda Terrestre, en colaboraci\u00f3n con la Universidad de Singapur, ha resucitado y estudiado con \u00e9xito enzimas de miles de millones de a\u00f1os en el laboratorio. En este proceso, que describen como “paleontolog\u00eda molecular”, los investigadores encontraron que en lugar de mutaciones directas en el centro activo, un componente completamente nuevo prepar\u00f3 la fotos\u00edntesis para adaptarse a los niveles crecientes de ox\u00edgeno.<\/p>\n
SURGI\u00d3 HACE 4.000 MILLONES DE A\u00d1OS<\/p>\n
Rubisco es antigua: surgi\u00f3 hace aproximadamente 4.000 millones de a\u00f1os en el metabolismo primordial antes de la presencia de ox\u00edgeno en la tierra. Sin embargo, con la invenci\u00f3n de la fotos\u00edntesis productora de ox\u00edgeno y el aumento de ox\u00edgeno en la atm\u00f3sfera, la enzima comenz\u00f3 a catalizar una reacci\u00f3n no deseada, en la que confunde el O2 con el CO2 y produce metabolitos que son t\u00f3xicos para la c\u00e9lula. Este alcance de sustrato confuso todav\u00eda marca a rubisco hasta la fecha y limita la eficiencia fotosint\u00e9tica. Aunque los rubiscos que evolucionaron en entornos que conten\u00edan ox\u00edgeno se volvieron m\u00e1s espec\u00edficos para el CO2 con el tiempo, ninguno de ellos pudo deshacerse por completo de la reacci\u00f3n de captura de ox\u00edgeno.<\/p>\n\n
Los determinantes moleculares del aumento de la especificidad de CO2 en rubisco siguen siendo en gran parte desconocidos. Sin embargo, son de gran inter\u00e9s para los investigadores que buscan mejorar la fotos\u00edntesis. Curiosamente, aquellos rubiscos que muestran una mayor especificidad de CO2 reclutaron un nuevo componente proteico de funci\u00f3n desconocida. Se sospechaba que este componente estaba involucrado en el aumento de la especificidad del CO2, sin embargo, la verdadera raz\u00f3n de su aparici\u00f3n sigue siendo dif\u00edcil de determinar porque ya evolucion\u00f3 hace miles de millones de a\u00f1os.<\/p>\n
Para comprender este evento clave en la evoluci\u00f3n de rubiscos m\u00e1s espec\u00edficos, los colaboradores del Instituto Max Planck de Microbiolog\u00eda Terrestre y la Universidad Tecnol\u00f3gica de Nanyang en Singapur utilizaron un algoritmo estad\u00edstico para recrear formas de rubiscos que existieron hace miles de millones de a\u00f1os, antes de que comenzaran a aumentar los niveles de ox\u00edgeno. El equipo dirigido por los investigadores de Max Planck Tobias Erb y Georg Hochberg resucit\u00f3 estas antiguas prote\u00ednas en el laboratorio para estudiar sus propiedades. En explicit, los cient\u00edficos se preguntaron si el nuevo componente de rubisco ten\u00eda algo que ver con la evoluci\u00f3n de una mayor especificidad.<\/p>\n
La respuesta fue sorprendente, como explica en un comunicado el investigador doctoral Luca Schulz: “Esper\u00e1bamos que el nuevo componente de alguna manera excluyera directamente el ox\u00edgeno del centro catal\u00edtico de rubisco. Eso no es lo que sucedi\u00f3. En cambio, esta nueva subunidad parece actuar como un modulador de la evoluci\u00f3n: el reclutamiento de la subunidad cambi\u00f3 el efecto que las mutaciones posteriores ten\u00edan en la subunidad catal\u00edtica 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 cambi\u00f3 por completo el potencial evolutivo de rubisco”.<\/p>\n\n
Esta funci\u00f3n como “modulador evolutivo” tambi\u00e9n explica otro aspecto misterioso del nuevo componente proteico: las rubiscos que lo incorporaron dependen completamente de \u00e9l, aunque otras formas de rubisco pueden funcionar perfectamente sin \u00e9l. El mismo efecto modulador explica por qu\u00e9: cuando se une a este peque\u00f1o componente proteico, rubisco se vuelve tolerante a las mutaciones que, de otro modo, ser\u00edan catastr\u00f3ficamente perjudiciales. Con la acumulaci\u00f3n de tales mutaciones, rubisco efectivamente se volvi\u00f3 adicto a su nueva subunidad.<\/p>\n
En conjunto, los hallazgos finalmente explican la raz\u00f3n por la cual rubisco mantuvo este nuevo componente proteico desde que lo encontr\u00f3. El l\u00edder del grupo de investigaci\u00f3n de Max Planck, Georg Hochberg, explica: “El hecho de que esta conexi\u00f3n no se entendiera hasta ahora destaca la importancia del an\u00e1lisis evolutivo para comprender la bioqu\u00edmica que impulsa la vida que nos rodea. La historia de las biomol\u00e9culas como rubisco puede ense\u00f1arnos mucho sobre por qu\u00e9 son como son hoy”.<\/p>\n<\/div>\n