Nuevos hallazgos en microbios llamados cianobacterias presentan nuevas oportunidades para la ciencia vegetal, la bioingeniería y la protección ambiental
por Matt Davenport, Universidad Estatal de Michigan
Investigadores de la Universidad Estatal de Michigan y colegas de la Universidad de California Berkeley, la Universidad de Bohemia del Sur y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han ayudado a revelar la imagen más detallada hasta la fecha de importantes «antenas» biológicas.
La naturaleza ha desarrollado estas estructuras para aprovechar la energía del sol a través de la fotosíntesis, pero estos receptores de luz solar no pertenecen a las plantas. Se encuentran en microbios conocidos como cianobacterias, los descendientes evolutivos de los primeros organismos en la Tierra capaces de tomar luz solar, agua y dióxido de carbono y convertirlos en azúcares y oxígeno.
Publicado el 31 de agosto en la revista Nature , los hallazgos arrojan inmediatamente nueva luz sobre la fotosíntesis microbiana, específicamente, cómo se captura la energía de la luz y se envía a donde se necesita para impulsar la conversión de dióxido de carbono en azúcares. En el futuro, los conocimientos también podrían ayudar a los investigadores a remediar las bacterias dañinas en el medio ambiente, desarrollar sistemas fotosintéticos artificiales para energía renovable y reclutar microbios en la fabricación sostenible que comienza con las materias primas del dióxido de carbono y la luz solar.
«Hay mucho interés en el uso de cianobacterias como fábricas de energía solar que capturan la luz solar y la convierten en un tipo de energía que se puede usar para fabricar productos importantes», dijo Cheryl Kerfeld, profesora distinguida Hannah de bioingeniería estructural en la Facultad de Ciencias Naturales. Ciencias. «Con un plan como el que proporcionamos en este estudio, puede comenzar a pensar en ajustar y optimizar el componente de captación de luz de la fotosíntesis».
«Una vez que ves cómo funciona algo, tienes una mejor idea de cómo puedes modificarlo y manipularlo. Esa es una gran ventaja», dijo Markus Sutter, investigador asociado principal en Kerfeld Lab, que opera en MSU y Berkeley Lab en California.
Las estructuras de antena de las cianobacterias, que se denominan ficobilisomas, son conjuntos complejos de pigmentos y proteínas que se ensamblan en complejos relativamente masivos.
Durante décadas, los investigadores han estado trabajando para visualizar los diferentes componentes básicos de los ficobilisomas para tratar de comprender cómo se ensamblan. Los ficobilisomas son frágiles, lo que requiere este enfoque gradual. Históricamente, los investigadores no han podido obtener las imágenes de alta resolución de antenas intactas necesarias para comprender cómo capturan y conducen la energía de la luz.
Ahora, gracias a un equipo internacional de expertos y los avances en una técnica conocida como microscopía crioelectrónica, la estructura de una antena de recolección de luz cianobacteriana está disponible con una resolución casi atómica. El equipo incluyó investigadores de MSU, Berkeley Lab, la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Bohemia del Sur en la República Checa.
«Tuvimos la suerte de ser un equipo formado por personas con experiencia complementaria, personas que trabajaron bien juntas», dijo Kerfeld, quien también es miembro del Laboratorio de Investigación de Plantas MSU-DOE, que cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU. «El grupo tenía la química correcta».
‘Un largo viaje lleno de agradables sorpresas’
«Este trabajo es un gran avance en el campo de la fotosíntesis», dijo Paul Sauer, investigador postdoctoral en el laboratorio de microscopía electrónica criogénica de la profesora Eva Nogales en Berkeley Lab y UC Berkeley.
«La estructura completa de captación de luz de la antena de una cianobacteria ha estado ausente hasta ahora», dijo Sauer. «Nuestro descubrimiento nos ayuda a comprender cómo la evolución encontró formas de convertir el dióxido de carbono y la luz en oxígeno y azúcar en bacterias, mucho antes de que existieran plantas en nuestro planeta».
Junto con Kerfeld, Sauer es autor correspondiente del nuevo artículo. El equipo documentó varios resultados notables, incluido el hallazgo de una nueva proteína de ficobilisoma y la observación de dos nuevas formas en que el ficobilisoma orienta sus bastones de captura de luz que no se habían resuelto antes.
“Son 12 páginas de descubrimientos”, dijo María Agustina Domínguez-Martín del informe Nature . Como investigadora postdoctoral en Kerfeld Lab, Domínguez-Martín inició el estudio en MSU y lo completó en Berkeley Lab. Actualmente se encuentra en la Universidad de Córdoba en España como parte de la beca posdoctoral Marie Skłowdoska-Curie. «Ha sido un largo viaje lleno de agradables sorpresas».
Una sorpresa, por ejemplo, fue cómo una proteína relativamente pequeña puede actuar como un protector contra sobretensiones para la antena masiva. Antes de este trabajo, los investigadores sabían que el ficobilisoma podía acorralar moléculas llamadas proteínas carotenoides naranjas u OCP, cuando el ficobilisoma había absorbido demasiada luz solar. Los OCP liberan el exceso de energía en forma de calor, evitando que el sistema fotosintético de una cianobacteria se queme.
Hasta ahora, ha habido debate sobre cuántos OCP podría unir el ficobilisoma y dónde estaban esos sitios de unión. La nueva investigación responde a estas preguntas fundamentales y ofrece conocimientos potencialmente prácticos.
Este tipo de sistema de protección contra sobretensiones, que se llama fotoprotección y tiene análogos en el mundo de las plantas, naturalmente tiende a ser un desperdicio. Las cianobacterias tardan en desactivar su fotoprotección después de que ha hecho su trabajo. Ahora, con la imagen completa de cómo funciona el protector contra sobretensiones, los investigadores pueden diseñar formas de diseñar una fotoprotección «inteligente» y menos derrochadora, dijo Kerfeld.
Y, a pesar de ayudar a que el planeta sea habitable para los humanos y otros innumerables organismos que necesitan oxígeno para sobrevivir, las cianobacterias tienen un lado oscuro. Las floraciones de cianobacterias en lagos, estanques y embalses pueden producir toxinas que son mortales para los ecosistemas nativos, así como para los humanos y sus mascotas. Tener un plano de cómo las bacterias no solo recolectan la energía del sol, sino que también se protegen a sí mismos de demasiada energía podría inspirar nuevas ideas para atacar las floraciones dañinas.
Más allá de las nuevas respuestas y las posibles aplicaciones que ofrece este trabajo, los investigadores también están entusiasmados con las nuevas preguntas que plantea y la investigación que podría inspirar.
«Si piensas en esto como Legos, puedes seguir construyendo, ¿verdad? Las proteínas y los pigmentos son como bloques que forman el ficobilisoma, pero eso es parte del fotosistema, que está en la membrana celular, que es parte de toda la célula. ”, dijo Suter. «Estamos subiendo la escalera de la escala de alguna manera. Hemos encontrado algo nuevo en nuestro peldaño, pero no podemos decir que tenemos el sistema asentado».
“Hemos respondido algunas preguntas, pero hemos abierto las puertas a otras y, para mí, eso es lo que lo convierte en un gran avance”, dijo Domínguez-Martín. «Estoy emocionado de ver cómo se desarrolla el campo a partir de aquí».
More information: María Agustina Domínguez-Martín et al, Structures of a phycobilisome in light-harvesting and photoprotected states, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05156-4
