Cianobacterias en aguas poco profundas tienen genes para dos formas de rubisco
Investigadores de la Universidad de Stanford han descubierto un sorprendente giro genético en un linaje de microbios que puede desempeñar un importante papel en el almacenamiento de carbono en los océanos.
Los microbios, conocidos como algas verdeazuladas o cianobacterias, tienen dos diferentes formas de una enzima ubicua que rara vez aparecen juntas en el mismo organismo.
"Este es uno de esos grandes ejemplos científicos en los que uno busca una cosa, pero termina encontrando algo que es incluso mejor", dijo Anne Dekas, profesora adjunta de ciencias del sistema terrestre en la Escuela de Sostenibilidad Doerr de Stanford y autora principal del estudio.
Hace miles de millones de años, mucho antes de que aparecieran las plantas, las cianobacterias inventaron la fotosíntesis oxigénica. En el proceso de producir alimentos a partir del dióxido de carbono y la luz solar, los microbios ampliamente distribuidos liberaron oxígeno al aire, lo que hizo que la atmósfera de nuestro planeta fuera acogedora para la variedad de vida que existe hoy en la Tierra.
"Las cianobacterias son, sin duda, la forma de vida más importante de la Tierra", afirmó Dekas. "Oxigenaron la atmósfera de la Tierra y crearon una revolución biológica".
Cianobacterias especiales
Al igual que las plantas, las cianobacterias utilizan una enzima llamada ribulosa bisfosfato carboxilasa, o rubisco, para convertir el dióxido de carbono en biomasa.
La rubisco, una de las proteínas más abundantes en la naturaleza, se presenta en varias formas: el tipo más común, conocido como rubisco forma I, a menudo utiliza una estructura llamada carboxisoma para reaccionar selectivamente con el dióxido de carbono pero no con el oxígeno, lo que permite que la fotosíntesis se realice de manera eficiente. Los organismos con un tipo menos común de enzima, conocido como forma II, carecen de carboxisoma y pueden construir eficazmente biomasa a partir de dióxido de carbono en entornos donde es escaso el oxígeno.
Imagen: Características de las cianobacterias con múltiples formas rubisco.
Por lo general, los organismos tienen solo una forma de rubisco, dijo el autor principal Alex Jaffe, un investigador postdoctoral en ciencias del sistema terrestre. Por eso se sorprendió cuando se topó con una excepción a esa regla mientras estudiaba la fijación de carbono en los microbios oceánicos.
Jaffe estaba analizando ADN de muestras de agua de mar recogidas en aguas profundas de las costas de América Central y del Sur cuando observó que algunas muestras de ADN de aguas poco profundas se habían deslizado accidentalmente. Descubrió que las cianobacterias en estas muestras parecían tener genes para ambas formas de rubisco.
"Mi reacción inicial fue que probablemente esto estaba mal", dijo Jaffe.
Investigaciones posteriores confirmaron que ambas formas de la enzima estaban presentes y se utilizaban activamente para la fotosíntesis en las cianobacterias de aguas poco profundas, aunque se requerirán pruebas adicionales para comprender cómo utilizan las cianobacterias las dos formas.
"Al tener dos versiones", dijo Jaffe, "podríamos eliminar más dióxido de carbono del agua que si sólo tuviéramos una de ellas, o potencialmente hacerlo un poco más eficientemente".
La eficiencia podría ser clave para la supervivencia en el lugar de origen de las muestras, en una zona con mínimo de oxígeno a unos 50 a 150 metros bajo la superficie, donde son escasos tanto el oxígeno como la luz.
Imagen derecha: Botellas que contienen muestras del océano tomadas de las profundidades submarinas son transportadas a la superficie. (Crédito de la imagen: Anne Dekas)
"Es muy difícil vivir allí", dijo Dekas. "Para un organismo fotosintético, cuando hay poca luz, hay poca energía".
Los hallazgos podrían ayudar a los científicos a anticipar cómo puede cambiar la capacidad del océano para secuestrar carbono a medida que el cambio climático amplía las zonas con bajo nivel de oxígeno. La revelación de que algunas cianobacterias tienen ambas formas de rubisco sugiere que pueden almacenar carbono de manera más eficiente de lo que se creía anteriormente y podrían proliferar junto con la expansión de las zonas de mínimo de oxígeno.
Si dos rubiscos son mejores que uno, el hallazgo también podría conducir a una producción agrícola más eficiente. Durante décadas, los investigadores han intentado diseñar la forma I de rubisco para permitir que los cultivos crezcan más con menos fertilizantes y agua.
"Esperamos seguir pensando en esto con gente que trabaja en el ámbito de la ingeniería de plantas para ver si puede dar algún fruto, tanto literal como metafóricamente", dijo Jaffe.
Los hallazgos le dieron a Jaffe una nueva perspectiva sobre la capacidad de la vida para adaptarse a entornos desafiantes. "Estos genes, a pesar de ser fundamentales para el metabolismo de los organismos, pueden ser bastante flexibles y pueden reconfigurarse y reorganizarse de maneras que no esperábamos", dijo.
El estudio se ha publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences: Cyanobacteria from marine oxygen-deficient zones encode both form I and form II Rubiscos
