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Eslabón perdido encontrado en la historia evolutiva de la proteína fijadora de carbono Rubisco
La enzima rubisco se encuentra en todas las plantas y otros organismos fotosintetizadores. Desempeña un papel clave en la fijación de carbono del aire y ha ayudado a dar forma a la vida en la Tierra. Ahora, investigadores de UC Davis, el Instituto de Genómica Innovadora de UC Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han identificado una versión de rubisco a partir de microorganismos ambientales que se remonta a miles de millones de años.
Eslabón perdido encontrado en la historia evolutiva de la proteína fijadora de carbono Rubisco
Noticias de UC Davis | Greg Watry | 31 de agosto de 2020
Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de California en Davis descubrió un eslabón perdido en la evolución de la fotosíntesis y la fijación de carbono. Se remonta a más de 2.4 millones de años, una forma recién descubierta de la planta. enzima rubisco podría brindar una nueva perspectiva sobre la evolución y el mejoramiento de las plantas.
Rubisco es la enzima más abundante del planeta. Presente en plantas, cianobacterias (también conocidas como algas verdiazules) y otros organismos fotosintéticos, es fundamental para el proceso de fijación de carbono y es una de las enzimas fijadoras de carbono más antiguas de la Tierra.
“Es el principal impulsor de la producción de alimentos, por lo que puede absorber CO2 de la atmósfera y fijarlo en azúcar para que lo utilicen las plantas y otros organismos fotosintéticos. Es la principal enzima impulsora para alimentar la vida con carbono de esa manera ”, dijo Doug Banda, un becario postdoctoral en el laboratorio de Patrick Shih, profesor asistente de biología vegetal en la Facultad de Ciencias Biológicas de UC Davis.
La forma I rubisco evolucionó hace más de 2.4 millones de años antes del Gran Evento de Oxigenación, cuando las cianobacterias transformaron la atmósfera de la Tierra al producir oxígeno a través de la fotosíntesis. Los vínculos de Rubisco con este evento antiguo lo hacen importante para los científicos que estudian la evolución de la vida.
En un estudio que apareció el 31 de agosto en Nature Plants, Banda e investigadores de UC Davis, el innovador Genómica Institute (IGI) y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley informan del descubrimiento de un pariente previamente desconocido de la forma I rubisco, uno que sospechan que divergió de la forma I rubisco antes de la evolución de las cianobacterias.
La nueva versión, llamada form I-prime rubisco, se encontró a través de genoma, secuenciación de muestras ambientales y sintetizadas en laboratorio. La forma I-prime rubisco brinda a los investigadores nuevos conocimientos sobre la evolución estructural de la forma I rubisco, lo que potencialmente proporciona pistas sobre cómo esta enzima cambió el planeta.
Un mundo invisible
La Forma I rubisco es responsable de la gran mayoría de la fijación de carbono en la Tierra. Pero existen otras formas de rubisco en bacterias fotosintéticas y en el grupo de microorganismos , que son Archaea. Estas variantes de rubisco vienen en diferentes formas y tamaños, e incluso carecen de pequeñas subunidades. Sin embargo, todavía funcionan.
“Algo intrínseco para comprender cómo evolucionó la forma I rubisco es saber cómo evolucionó la subunidad pequeña”, dijo Shih. "Es la única forma de rubisco, que conocemos, que hace este tipo de ensamblaje octamérico de grandes subunidades".
La coautora del estudio, Jill Banfield, investigadora de IGI y profesora de Ciencias de la Tierra y Planetarias de UC Berkeley, descubrió la nueva variante de rubisco después de realizar metagenómica análisis de muestras de agua subterránea. Los análisis metagenómicos permiten a los investigadores examinar los genes y secuencias genéticas del ambiente sin cultivar microorganismos.
“No sabemos casi nada sobre el tipo de vida microbiana que existe en el mundo que nos rodea, por lo que la gran mayoría de la diversidad ha sido invisible”, dijo Banfield. "Las secuencias que entregamos al laboratorio de Patrick en realidad provienen de organismos que no estaban representados en ninguna base de datos".
Banda y Shih con éxito expresados formar I-prime rubisco en el laboratorio usando E. coli y estudió su estructura molecular.
La Forma I de rubisco se construye a partir de ocho subunidades moleculares grandes centrales con ocho subunidades pequeñas ubicadas en la parte superior e inferior. Cada pieza de la estructura es importante para la fotosíntesis y la fijación de carbono. Al igual que la forma I rubisco, la forma I-prime rubisco se construye a partir de ocho grandes subunidades. Sin embargo, no posee las pequeñas subunidades que antes se consideraban esenciales.
“El descubrimiento de un rubisco octamérico que se forma sin pequeñas subunidades nos permite hacernos preguntas evolutivas sobre cómo habría sido la vida sin la funcionalidad impartida por pequeñas subunidades”, dijo Banda. "Específicamente, encontramos que las enzimas de la forma I-prime tenían que desarrollar interacciones reforzadas en ausencia de pequeñas subunidades, lo que permitió la estabilidad estructural en un momento en que la atmósfera de la Tierra estaba cambiando rápidamente".
Según los investigadores, la forma I-prime rubisco representa un eslabón perdido en la historia evolutiva. Dado que la forma I rubisco convierte el carbono inorgánico en biomasa vegetal, una mayor investigación sobre su estructura y funcionalidad podría conducir a innovaciones en la producción agrícola.
“Aunque existe un interés significativo en diseñar un rubisco 'mejor', ha habido poco éxito durante décadas de investigación”, dijo Shih. "Por lo tanto, comprender cómo ha evolucionado la enzima durante miles de millones de años puede proporcionar información clave sobre los esfuerzos de ingeniería futuros, que en última instancia podrían mejorar la productividad fotosintética en los cultivos".
Los autores adicionales del estudio son: Albert Liu de UC Davis y LBNL; José Pereira y Paul Adams, Instituto Conjunto de BioEnergía, LBNL; Christine He, UC Berkeley; Michal Hammel, LBNL; y Douglas Orr, Martin Parry y Elizabete Carmo-Silva, Universidad de Lancaster, Reino Unido. y el Instituto de Genómica Innovadora.
Contacto con los medios
Andy Murdock: andymurdock@berkeley.edu
