Finalmente resuelto el misterio de la evolución de las algas fotosintéticas

modelo informático de antena de criptofita

Arriba: Un modelo informático de la estructura de la nueva proteína en la antena de la criptofita que atrapa la energía de la luz solar. Imagen: UNSW

Las proteínas de los andamios guían la evolución de las antenas recolectoras de luz de algas

Es posible que un misterio evolutivo que había eludido a los biólogos moleculares durante décadas nunca se hubiera resuelto si no fuera por la pandemia de COVID-19.

"Estar atrapado en casa fue una bendición disfrazada, ya que no había experimentos que se pudieran hacer. Solo teníamos nuestras computadoras y mucho tiempo", dice el profesor Paul Curmi, biólogo estructural y biofísico molecular de la University of New South Wales en Sydney.

El profesor Curmi se refiere a la investigación publicada este mes en Nature Communications que detalla el meticuloso desenredado y reconstrucción de una proteína clave en un organismo fotosintético unicelular llamado criptofita, un tipo de alga que evolucionó hace más de mil millones de años.

Hasta ahora, la forma en que las criptofitas adquirían las proteínas utilizadas para capturar y canalizar la luz solar para que las utilizara la célula tenía rascándose la cabeza a los biólogos moleculares. Ya sabían que la proteína era parte de una especie de antena que el organismo usaba para convertir la luz solar en energía. También sabían que la criptofita había heredado algunos componentes de la antena de sus antepasados fotosintéticos: las algas rojas y, antes de eso, las cianobacterias, una de las formas de vida más antiguas de la tierra responsables de los estromatolitos.

Pero cómo encajan las estructuras de las proteínas en la propia y novedosa estructura de antena de la criptofita siguió siendo un misterio, hasta que el Prof. Curmi, Ph.D. el estudiante Harry Rathbone y sus colegas de la Universidad de Queensland y la Universidad de Columbia Británica estudiaron detenidamente las imágenes de microscopio electrónico de la proteína de la antena de un organismo progenitor de algas rojas hechas públicas por investigadores chinos en marzo de 2020.

Desentrañar el misterio significó que el equipo finalmente pudo contar la historia de cómo esta proteína había permitido a estos antiguos organismos unicelulares prosperar en las condiciones más inhóspitas: metros bajo el agua con muy poca luz solar directa para convertir en energía.

El profesor Curmi dice que las principales implicaciones del trabajo son para la biología evolutiva.

"Proporcionamos un enlace directo entre dos sistemas de antenas muy diferentes y abrimos la puerta para descubrir exactamente cómo evolucionó un sistema a un sistema diferente, donde ambos parecen ser muy eficientes en la captura de luz", dice.

"Las algas fotosintéticas tienen muchos diferentes sistemas de antenas que tienen la propiedad de poder capturar todos los fotones de luz disponibles y transferirlos a una proteína del fotosistema que convierte la energía luminosa en energía química".

Al trabajar para comprender los sistemas de algas, los científicos esperan descubrir los principios físicos fundamentales que subyacen a la exquisita eficiencia fotónica de estos sistemas fotosintéticos. El profesor Curmi dice que estos pueden tener aplicación algún día en dispositivos ópticos, incluidos los sistemas de energía solar.

Comiendo para dos

mapa de microscopía electrónica criogénicaImagen derecha: Un mapa de microscopía electrónica criogénica de una proteína similar a las criptofitas que se encuentra en las algas rojas. El rojo indica la proteína elusiva que fue reutilizada por las criptofitas en su propia antena. Imagen: UNSW

Para apreciar mejor la importancia del descubrimiento de proteínas, es útil comprender el extraño mundo de los organismos unicelulares que llevan a un nuevo nivel el dicho "eres lo que comes".

Como autor principal del estudio, el estudiante de postdoctorado Harry Rathbone explica que cuando un organismo unicelular se traga a otro, puede entrar en una relación de endosimbiosis, donde un organismo vive dentro del otro y los dos se vuelven inseparables.

"A menudo, con las algas, van a buscar algo de almuerzo, otra alga, y deciden no digerirla. En esencia, la mantendrán para que cumpla sus órdenes", dice Rathbone. "Y esos nuevos organismos pueden ser tragados por otros organismos de la misma manera, como una muñeca matryoshka".

De hecho, esto es probablemente lo que sucedió cuando hace aproximadamente mil quinientos millones de años, una cianobacteria fue ingerida por otro organismo unicelular. Las cianobacterias ya tenían una sofisticada antena de proteínas que atrapaba cada fotón de luz. Pero en lugar de digerir la cianobacteria, el organismo hospedador la despojó efectivamente en partes, reteniendo la estructura de la proteína de la antena que el nuevo organismo, las algas rojas, usaban para obtener energía.

Y cuando otro organismo se tragó un alga roja para convertirse en el primer criptofito, fue una historia similar. Excepto que esta vez la antena fue llevada al otro lado de la membrana del organismo hospedador y completamente remodelada en nuevas formas de proteínas que fueron igualmente eficientes para atrapar los fotones de la luz solar.

Evolución

Como explica el profesor Curmi, estos fueron los primeros pequeños pasos hacia la evolución de las plantas modernas y otros organismos fotosintéticos como las algas marinas.

"Al pasar de las cianobacterias que son fotosintéticas a todo lo demás en el planeta que es fotosintético, algún ancestro antiguo engulló una cianobacteria que luego se convirtió en el cloroplasto de la célula que convierte la luz solar en energía química. Y el trato entre los organismos es algo así como, te mantendré a salvo siempre que hagas la fotosíntesis y me des energía".

Uno de los colaboradores de este proyecto, la Dra. Beverley Green, profesora emérita del Departamento de Botánica de la Universidad de Columbia Británica, dice que el profesor Curmi pudo hacer el descubrimiento al abordar el problema desde un ángulo diferente.

"El novedoso enfoque de Paul fue buscar proteínas ancestrales sobre la base de la forma en lugar de la similitud en la secuencia de aminoácidos. Al buscar en las estructuras 3D de dos complejos de proteínas múltiples de algas rojas en busca de segmentos de proteína que se plegaran de la misma manera que la proteína criptofita, pudo encontrar la pieza faltante del rompecabezas", dice ella.

Investigación en Nature Communications: Scaffolding proteins guide the evolution of algal light harvesting antennas

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