Nuevas pistas apuntan a cómo las cianobacterias desarrollaron la capacidad de concentrar el dióxido de carbono atmosférico
Las cianobacterias son unicelular organismos que obtienen energía de la luz, utilizando la fotosíntesis para convertir el dióxido de carbono atmosférico (CO2) y el agua líquida (H2O) en oxígeno respirable y las moléculas a base de carbono como proteínas que componen sus células. Las cianobacterias fueron los primeros organismos en realizar la fotosíntesis en la historia de la Tierra y fueron responsables de inundar la Tierra primitiva con oxígeno, lo que influyó significativamente en la evolución de la vida.
Las mediciones geológicas sugieren que la atmósfera de la Tierra primitiva, hace más de tres mil millones de años, probablemente era rica en CO2, mucho más alto que los niveles actuales causados por el cambio climático antropogénico, lo que significa que las antiguas cianobacterias tenían mucho para "comer". Pero a lo largo de los miles de millones de años de historia de la Tierra, las concentraciones atmosféricas de CO2 han disminuido y, por lo tanto, para sobrevivir, estos bacterias fotosintéticas necesaria para desarrollar nuevas estrategias para extraer CO2. Por lo tanto, las cianobacterias modernas se ven bastante diferentes de sus ancestros antiguos y poseen un conjunto de estructuras complejas y frágiles llamadas mecanismo de concentración de CO2 (CCM) para compensar las concentraciones más bajas de CO2.
Ahora, una nueva investigación de Caltech e Innovative Genomics Institute (IGI) Investigators arroja luz sobre cómo evolucionó el CCM, abordando un misterio de larga data en el campo de la geobiología evolutiva. El nuevo estudio emplea técnicas genéticas para modelar ancestros antiguos de organismos modernos, lo que permite a los investigadores experimentar sistemáticamente con diferentes versiones de bacterias y revelar posibles vías evolutivas.
El estudio fue una colaboración entre los laboratorios de Caltech Profesor de Geobiología Fischer Woodward y David Savage, Profesor Asociado de Biología Molecular en UC Berkeley e Investigador en el IGI y el Instituto Médico Howard Hughes. Aparece en el diario. Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
“Esta es una forma emergente de estudiar la historia de la Tierra”, dice Fischer. “Podemos tomar el organismo moderno y rehacerlo en el laboratorio, permitiéndonos probar las trayectorias de su evolución con una experimentación rigurosa en el laboratorio”.
Las cianobacterias “comen” CO2 con la ayuda de un enzima llamado rubisco. Rubisco, en pocas palabras, no es muy bueno en su trabajo: actúa lentamente y tiende a reaccionar con otras moléculas en lugar de CO2. Esto no es un problema para las cianobacterias cuando se encuentran en un ambiente con altas concentraciones de CO2; rubisco puede ser ineficiente y las bacterias aún pueden tener suficiente CO2 para metabolizar. Pero debido a que los niveles atmosféricos de CO2 han disminuido tanto durante miles de millones de años, las cianobacterias modernas han desarrollado un CCM para concentrar el CO2 dentro del propio cuerpo de la bacteria y aumentar la eficiencia de la rubisco.
Los CCM desconciertan a los biólogos evolutivos porque son muy delicados: alteran cualquiera de los 20 los genes que codifica para las diversas partes del CCM hace que falle toda la estructura.
“Pensamos en la evolución como algo que sucede paso a paso, con cada nuevo gen agregando una nueva función”, dice Avi Flamholz, becario postdoctoral de Caltech y autor principal del nuevo artículo. “Por ejemplo, los antiguos precursores del ojo humano moderno no tenían todas las funciones del ojo, pero probablemente podían detectar la luz de alguna forma. Con el CCM, no había un camino claro que indicara cómo evolucionaron hasta su complejidad actual”.
En el nuevo estudio, el equipo se propuso modelar posibles iteraciones antiguas de la estructura CCM. Para ello, modificaron genéticamente Escherichia coli bacterias requieren CO2 para su metabolismo. Debido a que existen herramientas genéticas establecidas para trabajar con E. coli en el laboratorio, es más manejable trabajar con este sistema modelo que con las propias cianobacterias. Luego, el equipo diseñó E. coli cepas con los 20 genes que componen el CCM, y genes añadidos, eliminados y modificados sistemáticamente para modelar todas las trayectorias evolutivas posibles de la estructura del CCM.
De esta manera, Flamholz y su equipo descubrieron que, de hecho, existen varias trayectorias biológicamente viables que conducen al surgimiento del complejo CCM moderno.
“Estos resultados resaltan el diálogo omnipresente entre el cambio global y la evolución de la biosfera de la Tierra”, dice Fischer. "A medida que el CO2 se volvió cada vez más escaso, las cianobacterias pudieron innovar una solución bioquímica notable".
Más información:
Avi I. Flamholz, Eli Dugan, Justin Panich, John J. Desmarais, Luke M. Oltrogge, Woodward W. Fischer, Steven W. Singer, David F. Savage. 2022. "Trayectorias de la evolución de los mecanismos bacterianos de concentración de CO2." PNAS.
La financiación fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Kavli, el Programa Científico Colaborativo Schwartz/Reisman, el Departamento de Energía de EE. UU. y el Instituto de Biociencias y Energía Shell de los Países Bajos.
Este artículo fue publicado originalmente por Caltech News
