El notable éxito ecológico de Proclorococcus se basa en su capacidad para prosperar en aguas pobres en hierro
El mar es el ecosistema más grande del mundo y alberga dos organismos fotosintéticos que producen aproximadamente la mitad del oxígeno de la Tierra.
La cianobacteria Proclorococcus marinus es el organismo fotosintéticoorganismo fotosintéticoorganismo fotosintético más abundante en los océanos y fija aproximadamente 4 gigatoneladas de carbono cada año, comparable a la producción primaria global neta de la industria agrícola mundial.
La fotosíntesis depende del hierro, cuyo suministro es limitado en el océano, y el notable éxito ecológico de Proclorococcus se basa en su capacidad para prosperar en aguas pobres en nutrientes.
El trabajo dirigido por Ivo Tews en la Universidad de Southampton estudió la proteína de unión al hierro FutA de Proclorococcus utilizando una serie de técnicas complementarias de biología estructural, incluida la cristalografía en serie en I24 y en SACLA.
El trabajo demuestra que FutA puede acomodar hierro en dos diferentes estados de oxidación, una funcionalidad que se cree que hace que Proclorococcus sea más eficiente.
Como parte de este trabajo, se utilizaron rayos X, neutrones y luz visible para ayudar a comprender la unión del hierro en FutA. Se utilizó cristalografía de neutrones para localizar átomos de hidrógeno alrededor del sitio de unión del hierro, lo que permitió determinar las cargas de las cadenas laterales de los aminoácidos y el estado de carga del hierro. Se utilizaron mediciones espectroscópicas ópticas para monitorear la tasa de cambio del estado de oxidación del hierro férrico rojo óxido al hierro ferroso incoloro cuando se irradia con rayos X.
El equipo de la línea de luz I24 de Diamond Light Source ayudó a diseñar dos experimentos de rayos X para exponer la proteína de unión al hierro a dosis de rayos X específicas. Los experimentos utilizaron una técnica llamada cristalografía en serie, que expone secuencialmente miles de cristales brevemente al haz de rayos X. Estas numerosas mediciones de monocristales luego se combinan para formar un conjunto de datos completo y de alta calidad.
Ivo Tews dice: "Nuestro trabajo incluyó muchos tipos diferentes de experimentos y fuentes, pero uno que se destaca es la cristalografía sincrotrón en serie en Diamond Light Source que nos permitió seguir los cambios en la estructura de FutA, en tiempo real, en condiciones ambientales".
Imagen: Cambios en la unión del hierro en la proteína de unión al hierro FutA según lo revelado por cristalografía sincrotrón en serie con dosis resuelta. La densidad de la diferencia verde sugiere que la reducción inducida por rayos X hace que la cadena lateral Arg203 adopte una conformación alternativa correspondiente al hierro (que se muestra como una esfera roja) en transición del estado férrico al ferroso. Crédito: Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2308478121
I24 ha desarrollado hardware para cristalografía en serie de objetivo fijo que se puede utilizar tanto en Diamond como en otras fuentes, como el láser de electrones libres de rayos X (XFEL) SACLA en Japón. Para permitir experimentos en SACLA, se envió a Japón hardware de objetivo fijo I24 y se construyó en la línea de luz XFEL. Los experimentos realizados en SACLA permitieron la exposición a múltiples pulsos de rayos X extremadamente breves, mientras que el segundo conjunto de experimentos realizados en la línea de luz I24 permitió determinar múltiples estructuras con dosis acumuladas.
La estructura cambiante de la proteína unida al hierro antes y después de la exposición a los rayos X reveló los cambios que la proteína debe realizar para realizar su doble función de unión al hierro. El uso de hardware idéntico tanto en Diamond como en SACLA simplifica la preparación de muestras y reduce el riesgo asociado con experimentos desafiantes realizados al otro lado del mundo.
Imagen: Hardware de cristalografía en serie con objetivo fijo de diamante colocado en I24 (izquierda) y en SACLA (derecha). El uso del mismo hardware y enfoque experimental en diferentes fuentes simplifica enormemente el experimento. Crédito: Diamond Light Source
Robin Owen, científico principal de líneas de luz en I24, dijo: "La estrecha colaboración entre SACLA y Diamond para explotar la naturaleza complementaria de los experimentos en serie en sincrotrones y láseres de electrones libres fue clave para permitir una comprensión de la respuesta a la dosis de FutA".
La investigación estudia cómo utilizan el hierro las bacterias, mediante el uso de una proteína especializada en la unión del hierro, con la sorpresa de que dos formas o estados de oxidación diferentes del hierro pueden unirse mediante una sola proteína, FutA. Esto refleja dos funciones esenciales, a saber, la absorción de hierro férrico del medio ambiente y la protección de los fotosistemas bacterianos en forma de hierro ferroso.
Como las cianobacterias suelen tener dos tipos de proteínas para estas funciones, se especula que la presencia de una única proteína en la cianobacteria Proclorococcus que puede realizar ambas tareas es un importante factor en su éxito ecológico.
El estudio se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences: A redox switch allows binding of Fe(II) and Fe(III) ions in the cyanobacterial iron-binding protein FutA from Prochlorococcus
