Las proteínas revelan un vínculo entre la rotación de la Tierra y los ritmos fotosintéticos
Para comprender mejor el reloj circadiano en las cianobacterias modernas, un equipo de investigación japonés estudió sistemas antiguos de cronometraje. Examinaron la oscilación de las proteínas del reloj KaiA, KaiB y KaiC (proteínas Kai) en las cianobacterias modernas, comparándola con la función de las proteínas Kai ancestrales.
"Las actuales cianobacterias utilizan un reloj circadiano para predecir el ciclo ambiental de luz y oscuridad mediante la rotación de la Tierra y así lograr reacciones fotosintéticas eficientes. Queríamos comprender la historia evolutiva de cuándo las bacterias antiguas adquirieron el reloj circadiano y cómo las cianobacterias actuales heredaron esta propiedad", afirmó Atsushi Mukaiyama, profesor asociado de la Universidad de la Prefectura de Fukui.
Las cianobacterias, a veces llamadas algas verdeazuladas, son bacterias fotosintéticas que influyen significativamente en los océanos y la atmósfera terrestres. Los científicos saben que el ancestro común más reciente de las cianobacterias surgió hace unos 3.000 millones de años. Evolucionó hasta convertirse en el ecosistema actual a través del Gran evento de Oxidación, que ocurrió cuando aumentó el nivel de oxígeno en la atmósfera de la Tierra hace unos 2.300 millones de años.
Esta evolución continuó durante al menos dos eventos de Tierra Bola de Nieve, hace unos 2.400 y 700 millones de años, cuando el planeta estaba cubierto de hielo, y durante la Oxigenación Neoproterozoica, cuando los niveles de oxígeno de la Tierra aumentaron por segunda vez. La Oxigenación Neoproterozoica ocurrió entre 800 y 540 millones de años.
Mediante estudios de fósiles y modelos de evolución molecular, los científicos sugieren que el ancestro común más reciente de las cianobacterias ya poseía primitivos sistemas fotosintéticos de oxígeno. La eficiencia de la fotosíntesis está fuertemente influenciada por los ciclos ambientales de luz y oscuridad.
El equipo de investigación se propuso examinar si las primitivas cianobacterias contaban con un sistema de cronometraje cuando se activó la fotosíntesis durante la Gran Oxidación. Esto puede ayudar a los científicos a comprender el origen fisiológico de los sistemas de reloj circadiano.
Imagen: Evolución molecular del oscilador de la proteína Kai a lo largo de 3000 millones de años. Crédito: Yoshihiko Furuike y Atsushi Mukaiyama
Los científicos han identificado relojes circadianos, esos cronometradores internos que guían a un organismo para que funcione según un reloj de 24 horas, en varios organismos, como bacterias, hongos, plantas y mamíferos.
El equipo de investigación estudió el reloj circadiano de las cianobacterias utilizando la cepa Synechococcus elongatus. Reconstruyeron el oscilador del reloj en un tubo de ensayo utilizando la proteína reloj KaiC. También examinaron la función y la estructura de las proteínas Kai ancestrales para determinar cómo han evolucionado a lo largo del tiempo los osciladores de proteínas Kai autosostenidos.
Sabiendo que los ciclos de luz y oscuridad afectan la eficiencia de la fotosíntesis en las cianobacterias, el equipo quería determinar si las antiguas cianobacterias poseían un reloj circadiano autosostenido cuando ocurrieron los antiguos eventos de oxidación y se establecieron por primera vez los sistemas fotosintéticos.
Descubrieron que el fenómeno rítmico más rápido estaba codificado en las proteínas del reloj ancestral. "El antiguo reloj de las cianobacterias estaba sincronizado con un ciclo de 18 a 20 horas. Esto significa que se ha restaurado la historia del período de rotación de la Tierra al rastrear la evolución de las moléculas de proteína del reloj", afirmó Yoshihiko Furuike, profesor adjunto del Instituto de Ciencias Moleculares.
Los resultados del equipo muestran que el KaiC más antiguo de las bacterias ancestrales carecía de la función y la estructura esenciales para las cualidades rítmicas. Mediante la evolución molecular, las proteínas Kai ancestrales adquirieron la función y la estructura necesarias en torno a los eventos de Oxidación Global y Tierra Bola de Nieve.
Finalmente, el ancestro común más reciente de las cianobacterias capaces de realizar la fotosíntesis heredó este oscilador circadiano autosostenido.
Estos resultados son extremadamente útiles para la comprensión científica de la cronobiología.
"Nuestro objetivo final es diseñar cianobacterias modificadas que puedan adaptarse al período de rotación de planetas y satélites distintos de la Tierra acortando o alargando el período del oscilador de la proteína Kai. Las cianobacterias han tardado mucho en ajustar su reloj a 24 horas, pero es posible que podamos lograr una evolución aún más rápida utilizando los conocimientos y la tecnología modernos", dijo Shuji Akiyama, profesor del Instituto de Ciencias Moleculares.
La investigación se publica en Nature Communications: Evolutionary origins of self-sustained Kai protein circadian oscillators in cyanobacteria
