Los simbiontes utilizan dos vías de fijación de carbono, cada una optimizada para diferentes condiciones ambientales
En el entorno de aguas profundas de la Dorsal del Pacífico Oriental, donde no penetra la luz del sol y los alrededores son conocidos por sus extremas temperaturas, aplastantes presiones y compuestos tóxicos, vive Riftia pachyptila, un gusano tubular gigante de respiraderos hidrotermales.
Riftia, que puede crecer hasta 2.7 m de altura con un penacho de color rojo intenso, no tiene un sistema digestivo, pero se alimenta de su relación simbiótica con las bacterias que viven en lo profundo de su cuerpo. Estos miles de millones de bacterias fijan dióxido de carbono en azúcares para sustentarse a sí mismas y al gusano tubular.
A diferencia de la mayoría de los organismos autótrofos, que se sustentan mediante una única vía de fijación de carbono, los endosimbiontes quimioautótrofos de Riftia poseen dos vías funcionales de fijación de carbono. Gran parte de estas vías ha sido un misterio para los científicos, que tenían una limitada comprensión de sus actividades e integraciones con otros procesos metabólicos.
Una nueva investigación arroja luz sobre cómo se coordinan estas dos vías, los ciclos de Calvin-Benson-Bassham (CBB) y del ácido tricarboxílico reductor (rTCA), revelando una sofisticada adaptación que permite a estos simbiontes prosperar en su dinámico y hostil entorno. En el estudio, un equipo de científicos del Departamento de Biología Organística y Evolutiva de Harvard recolectó gusanos tubulares de la Cordillera del Pacífico Oriental para estudiar la regulación y coordinación de las dos vías funcionales.
Imagen: Riftia pachiyptila. Crédito: Peter Girguis
Al incubar los gusanos tubícolas en condiciones que imitaban su entorno natural, incluida una presión de 3.000 PSI y niveles casi tóxicos de azufre, los investigadores pudieron medir las tasas netas de fijación de carbono y examinar las respuestas transcripcionales y metabólicas.
"Este artículo es realmente un 'tour de force' al pasar de estudiar organismos vivos y medir sus tasas metabólicas y relacionarlas directamente con las transcripciones de una manera que permitió al equipo de investigación demostrar que es muy probable que las vías se ejecuten en paralelo", dijo el coautor Peter Girguis, profesor de Biología Organística y Evolutiva. "El artículo muestra que las vías duales están sesgadas por las condiciones ambientales y que hay otros sistemas metabólicos en órbita alrededor de cada una de estas dos".
La investigación fue realizada por miembros del laboratorio de Girguis, incluidos Mitchell y Jennifer Delaney, así como Adam Freedman del Harvard Informatics Group.
La fijación de carbono es el proceso de convertir dióxido de carbono en azúcares y es el proceso principal que mantiene nuestra biosfera en funcionamiento. Dependiendo del medio ambiente, incluidas las fuentes de energía y carbono disponibles, los organismos han desarrollado diferentes estrategias metabólicas. Los organismos fotosintéticos, como las plantas, utilizan la luz solar para proporcionar energía para convertir el dióxido de carbono y el agua en glucosa y oxígeno.
En las profundidades del mar, fuera del alcance de la luz solar pero donde agua volcánicamente sobrecalentada brota a través de respiraderos hidrotermales, los simbiontes quimioautótrofos de Riftia pachyptila utilizan energía del sulfuro de hidrógeno para fijar carbono que alimenta el metabolismo y el crecimiento de los gusanos. Al variar cuidadosamente las condiciones experimentales de Riftia, el equipo pudo identificar cómo influyen los cambios ambientales en la química en la coordinación de sus dos vías de carbono.
"Este es el análisis más profundo de una bacteria que tiene dos vías de fijación de carbono, la rTCA y la CBB", dijo la autora principal y investigadora postdoctoral Jessica Mitchell. "Este es también el primer análisis de red realizado en una simbiosis de respiradero hidrotermal y el primer análisis de red realizado en un sistema dual de vía de fijación de carbono".
El análisis de la red permitió al equipo detectar patrones en los datos de expresión genética y proporcionar una imagen más amplia del sistema. El análisis identificó genes centrales metabólicos que desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento y la regulación de la compleja red de reacciones metabólicas dentro de las células.
Imagen: Antecedentes, diseño del estudio y métodos utilizados. Crédito: Microbiología de la naturaleza (2024). DOI: 10.1038/s41564-024-01704-y
Funciones distintivas en la función metabólica
El equipo descubrió que los patrones transcripcionales de los ciclos rTCA y CBB variaban significativamente en respuesta a diferentes regímenes geoquímicos. Se descubrió que cada vía estaba relacionada con procesos metabólicos específicos. El ciclo rTCA está relacionado con hidrogenasas y reducción disimilatoria de nitratos. Estas enzimas son cruciales para procesar hidrógeno y nitratos en ausencia de oxígeno, lo que sugiere que el ciclo de rTCA desempeña un papel clave en condiciones de baja energía.
Por el contrario, el ciclo del CBB está asociado con la oxidación de sulfuros y la reducción de nitratos por asimilación. La oxidación de sulfuros es un proceso vital en el entorno químicamente rico de los respiraderos hidrotermales, donde abundan los sulfuros. Al vincular el ciclo del CBB con la oxidación de sulfuros, los simbiontes pueden utilizar eficazmente la energía química disponible en su entorno para fijar carbono.
Vías complementarias
Uno de los hallazgos más intrigantes del estudio fue la naturaleza complementaria de estas dos vías. El ciclo rTCA parece ser particularmente importante en condiciones donde el sulfuro y el oxígeno son limitados. Esto se puso de relieve mediante la identificación de una hidrogenasa del grupo 1e que, junto con el ciclo rTCA, desempeña un papel crucial en la respuesta fisiológica a tales limitaciones. Esta flexibilidad confiere una significativa ventaja, ya que permite a los gusanos tubulares prosperar en las condiciones altamente variables de los respiraderos hidrotermales.
Las tasas netas de fijación de carbono medidas durante el estudio fueron excepcionalmente altas, lo que permitió el rápido crecimiento y supervivencia de Riftia pachyptila en su entorno. Las vías duales de fijación de carbono, cada una optimizada para diferentes condiciones ambientales, pueden permitir a los simbiontes mantener una estabilidad metabólica durante los cambios ambientales.
Implicaciones e investigaciones futuras
El análisis de estas vías duales de fijación de carbono y su regulación coordinada en Riftia abre nuevas vías para la investigación en captura biológica de carbono, así como en bioquímica básica. Este conocimiento podría tener aplicaciones prácticas en biotecnología, donde los principios de estas vías podrían aprovecharse para desarrollar sistemas más eficientes para la fijación de carbono. Además, comprender cómo se regulan estas vías podría proporcionar información sobre la evolución de la diversidad metabólica y la adaptación en entornos extremos.
"Este estudio realmente allana el camino para futuros estudios y para comprender cómo estas vías duales permiten a este organismo fijar esta cantidad de carbono", dijo Mitchell.
El estudio se ha publicado en Nature Microbiology: Co-expression analysis reveals distinct alliances around two carbon fixation pathways in hydrothermal vent symbionts
