El mecanismo podría ser responsable de generar hasta el 12% del oxígeno en todo el planeta
Haz una respiración profunda. Ahora haz nueve más. Según una nueva investigación, la cantidad de oxígeno en una de esas 10 respiraciones fue posible gracias a un mecanismo celular recientemente identificado que promueve la fotosíntesis en el fitoplancton marino.
Descrito como "innovador" por un equipo de investigadores de la Institución Scripps de Oceanografía de la Universidad de California, San Diego, este proceso previamente desconocido representa entre el 7% y el 25% de todo el oxígeno producido y el carbono fijado en el océano. Al considerar también la fotosíntesis que ocurre en la tierra, los investigadores estimaron que este mecanismo podría ser responsable de generar hasta el 12% del oxígeno en todo el planeta.
Los científicos han reconocido durante mucho tiempo la importancia del fitoplancton, organismos microscópicos que flotan en ambientes acuáticos, debido a su capacidad para realizar la fotosíntesis. Estas diminutas algas oceánicas forman la base de la red alimentaria acuática y se estima que producen alrededor del 50% del oxígeno de la Tierra.
El nuevo estudio identifica cómo ayuda una enzima de bombeo de protones (conocida como VHA) en la producción global de oxígeno y la fijación de carbono del fitoplancton.
"Este estudio representa un gran avance en nuestra comprensión del fitoplancton marino", dijo el autor principal, Daniel Yee, quien realizó la investigación mientras era estudiante de doctorado en Scripps Oceanografía y actualmente se desempeña como investigador postdoctoral conjunto en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular y la Universidad de Grenoble Alpes en Francia.
"Durante millones de años de evolución, estas pequeñas células en el océano llevan a cabo diminutas reacciones químicas, en particular para producir este mecanismo que mejora la fotosíntesis, que dio forma a la trayectoria de la vida en este planeta".
Trabajando de cerca con el fisiólogo de Scripps Martín Tresguerres, uno de sus co-asesores, y otros colaboradores en Scripps y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Yee desentrañó el complejo funcionamiento interno de un grupo específico de fitoplancton conocido como diatomeas, que son algas unicelulares famosas por sus ornamentales paredes celulares hechas de sílice.
Imagen: Varias especies diferentes de fitoplancton, incluidas diatomeas y dinoflagelados, vistas a través de un microscopio. Estas especies utilizan el mecanismo de fotosíntesis potenciador de VHA descubierto en un nuevo estudio dirigido por la Institución Scripps de Oceanografía. Crédito de la imagen: Daniel Yee
Entendiendo la enzima 'bomba de protones'
Investigaciones anteriores en el Laboratorio Tresguerres han trabajado para identificar cómo una variedad de organismos utilizan VHA en procesos críticos para la vida en los océanos. Esta enzima se encuentra en casi todas las formas de vida, desde humanos hasta algas unicelulares, y su función básica es modificar el nivel de pH del entorno circundante.
"Nos imaginamos las proteínas como bloques de Lego", explicó Tresguerres, coautor del estudio. "Las proteínas siempre hacen lo mismo, pero dependiendo de con qué otras proteínas se combinen, pueden lograr una función muy diferente".
En los seres humanos, la enzima ayuda a los riñones a regular las funciones de la sangre y la orina. Las almejas gigantes usan la enzima para disolver los arrecifes de coral, donde secretan un ácido que perfora agujeros en el arrecife para refugiarse.
Los corales usan la enzima para promover la fotosíntesis de sus algas simbióticas, mientras que los gusanos de aguas profundas conocidos como Osedax la usan para disolver los huesos de los mamíferos marinos, como las ballenas, para poder consumirlos. La enzima también está presente en las branquias de tiburones y rayas, donde forma parte de un mecanismo que regula la química sanguínea. Y en los ojos de los peces, la bomba de protones ayuda a suministrar oxígeno que mejora la visión.
Imagen: La ATPase tipo V mejora la fotosíntesis en el fitoplancton marino
Al observar esta investigación anterior, Yee se preguntó cómo se usaba la enzima VHA en el fitoplancton. Se propuso responder a esta pregunta combinando técnicas de microscopía de alta tecnología en el Laboratorio Tresguerres y herramientas genéticas desarrolladas en el laboratorio del difunto científico de Scripps Mark Hildebrand, quien fue un destacado experto en diatomeas y uno de los co-asesores de Yee.
Usando estas herramientas, pudo etiquetar la bomba de protones con una etiqueta verde fluorescente y ubicarla con precisión alrededor de los cloroplastos, que se conocen como "orgánulos" o estructuras especializadas dentro de las células de diatomeas. Los cloroplastos de las diatomeas están rodeados por una membrana adicional en comparación con otras algas, envolviendo el espacio donde el dióxido de carbono y la energía luminosa se convierten en compuestos orgánicos y se liberan como oxígeno.
"Pudimos generar estas imágenes que muestran la proteína de interés y dónde se encuentra dentro de una célula con muchas membranas", dijo Yee. "En combinación con experimentos detallados para cuantificar la fotosíntesis, descubrimos que esta proteína en realidad está promoviendo la fotosíntesis al entregar más dióxido de carbono, que es lo que usa el cloroplasto para producir moléculas de carbono más complejas, como azúcares, al mismo tiempo que también produce más oxígeno como subproducto".
Imagen: Reconstrucción digital en 3D de la enzima bomba de protones (verde) que rodea el cloroplasto de diatomeas (rojo) y mejora la fotosíntesis. La celúla tiene una longitud de ~5 micrones, por lo que podría colocar 20 de ellas una al lado de la otra en el grosor de un cabello humano. El autor principal, Daniel Yee, tomó esta imagen usando un microscopio confocal de "súper resolución".
Conexión con la evolución
Una vez que se estableció el mecanismo subyacente, el equipo pudo conectarlo con múltiples aspectos de la evolución. Las diatomeas se derivaron de un evento simbiótico entre un protozoo y un alga hace unos 250 millones de años que culminó con la fusión de los dos organismos en uno, lo que se conoce como simbiogénesis.
Los autores destacan que el proceso de una célula que consume a otra, conocido como fagocitosis, está muy extendido en la naturaleza. La fagocitosis se basa en la bomba de protones para digerir la célula que actúa como fuente de alimento. Sin embargo, en el caso de las diatomeas, ocurrió algo especial en el que la célula que se comió no se digirió por completo.
"En lugar de que una célula digiera a la otra, la acidificación impulsada por la bomba de protones del depredador terminó promoviendo la fotosíntesis de la presa ingerida", dijo Tresguerres. "A lo largo del tiempo evolutivo, estos dos organismos separados se fusionaron en uno, por lo que ahora llamamos diatomeas".
No todas las algas tienen este mecanismo, por lo que los autores piensan que esta bomba de protones ha dado a las diatomeas una ventaja en la fotosíntesis. También señalan que cuando se originaron las diatomeas hace 250 millones de años, hubo un gran aumento de oxígeno en la atmósfera, y el mecanismo recién descubierto en las algas podría haber jugado un papel en eso.
Se cree que la mayoría de los combustibles fósiles extraídos del suelo se originaron a partir de la transformación de la biomasa que se hundió en el fondo del océano, incluidas las diatomeas, durante millones de años, lo que resultó en la formación de reservas de petróleo.
Los investigadores tienen la esperanza de que su estudio pueda inspirar enfoques biotecnológicos para mejorar la fotosíntesis, el secuestro de carbono y la producción de biodiesel. Además, creen que contribuirá a una mejor comprensión de los ciclos biogeoquímicos globales, las interacciones ecológicas y los impactos de las fluctuaciones ambientales, como el cambio climático.
"Este es uno de los estudios más emocionantes en el campo de la simbiosis en las últimas décadas y tendrá un gran impacto en la investigación futura en todo el mundo", dijo Tresguerres.
El estudio ha sido publicado en Current Biology: The V-type ATPase enhances photosynthesis in marine phytoplankton and further links phagocytosis to symbiogenesis
