El biocatalizador central en la fotosíntesis, Rubisco, es la enzima más abundante en la tierra. Al reconstruir enzimas de miles de millones de años, un equipo de investigadores de Max Planck ha descifrado una de las adaptaciones clave de la fotosíntesis temprana. Sus resultados no solo brindan información sobre la evolución de la fotosíntesis moderna, sino que también ofrecen nuevos impulsos para mejorarla.
La vida actual depende completamente de organismos fotosintéticos como plantas y algas que capturan y convierten CO2. En el corazón de estos procesos se encuentra una enzima llamada Rubisco que captura más de 400 mil millones de toneladas de CO2 anualmente. Los organismos vivos hoy en día producen cantidades asombrosas de él: la masa de Rubisco en nuestro planeta supera a la de todos los humanos. Para asumir un papel tan dominante en el ciclo global del carbono, Rubisco tuvo que adaptarse constantemente a las condiciones ambientales cambiantes.
Usando una combinación de enfoques computacionales y sintéticos, un equipo del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Marburg, Alemania, en colaboración con la Universidad de Singapur, ha resucitado y estudiado con éxito enzimas de mil millones de años en el laboratorio. En este proceso, que describen como «paleontología molecular», los investigadores encontraron que, en lugar de mutaciones directas en el centro activo, un componente completamente nuevo preparó la fotosíntesis para adaptarse a los crecientes niveles de oxígeno.
La confusión inicial de Rubisco
Rubisco es antiguo: surgió hace aproximadamente cuatro mil millones de años en el metabolismo primordial antes de la presencia de oxígeno en la tierra. Sin embargo, con la invención de la fotosíntesis productora de oxígeno y el aumento de oxígeno en la atmósfera, la enzima comenzó a catalizar una reacción no deseada, en la que confunde a O2 para CO2 y produce metabolitos que son tóxicos para la célula. Este alcance de sustrato confuso todavía marca a Rubiscos hasta la fecha y limita la eficiencia fotosintética. Aunque los rubiscos que evolucionaron en ambientes que contienen oxígeno se volvieron más específicos para el CO2 con el tiempo, ninguno de ellos pudo deshacerse por completo de la reacción de captura de oxígeno.
Los determinantes moleculares del aumento de CO2 La especificidad en Rubisco sigue siendo en gran parte desconocida. Sin embargo, son de gran interés para los investigadores que buscan mejorar la fotosíntesis. Curiosamente, aquellos Rubiscos que muestran aumento de CO2 la especificidad reclutó un nuevo componente proteico de función desconocida. Se sospechó que este componente estaba involucrado en el aumento de CO2 especificidad, sin embargo, la verdadera razón de su aparición sigue siendo difícil de determinar porque ya evolucionó hace miles de millones de años.
Estudiar la evolución resucitando proteínas antiguas en el laboratorio
Para comprender este evento clave en la evolución de rubiscos más específicos, los colaboradores del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Marburg y la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur utilizaron un algoritmo estadístico para recrear formas de rubiscos que existieron hace miles de millones de años, antes de que comenzaran los niveles de oxígeno. levantar. El equipo dirigido por los investigadores de Max Planck Tobias Erb y Georg Hochberg resucitó estas antiguas proteínas en el laboratorio para estudiar sus propiedades. En particular, los científicos se preguntaron si el nuevo componente de Rubisco tenía algo que ver con la evolución de una mayor especificidad.
La respuesta fue sorprendente, como explica el investigador doctoral Luca Schulz: «Esperábamos que el nuevo componente de alguna manera excluyera directamente el oxígeno del centro catalítico de Rubisco. Eso no es lo que sucedió. En cambio, esta nueva subunidad parece actuar como un modulador de la evolución: el reclutamiento de la subunidad cambió el efecto que las mutaciones posteriores tenían en la subunidad catalítica de Rubisco. Las mutaciones previamente intrascendentes repentinamente tuvieron un gran efecto en la especificidad cuando este nuevo componente estaba presente. Parece que tener esta nueva subunidad cambió por completo el potencial evolutivo de Rubisco».
La adicción de una enzima a su nueva subunidad
Esta función como «modulador evolutivo» también explica otro aspecto misterioso del nuevo componente proteico: los rubiscos que lo incorporaron dependen completamente de él, aunque otras formas de rubisco pueden funcionar perfectamente sin él. El mismo efecto modulador explica por qué: cuando se une a este pequeño componente proteico, Rubisco se vuelve tolerante a las mutaciones que, de otro modo, serían catastróficamente perjudiciales. Con la acumulación de tales mutaciones, Rubisco efectivamente se volvió adicto a su nueva subunidad.
En conjunto, los hallazgos finalmente explican la razón por la cual Rubisco mantuvo este nuevo componente proteico desde que lo encontró. El líder del grupo de investigación de Max Planck, Georg Hochberg, explica: «El hecho de que esta conexión no se entendiera hasta ahora destaca la importancia del análisis evolutivo para comprender la bioquímica que impulsa la vida que nos rodea. La historia de las biomoléculas como Rubisco puede enseñarnos mucho sobre por qué son como son hoy. Y todavía hay tantos fenómenos bioquímicos cuya historia evolutiva realmente no tenemos idea. Así que es un momento muy emocionante para ser un bioquímico evolutivo: casi toda la historia molecular de la célula todavía está esperando ser descubierto.»
Los viajes científicos en el tiempo pueden proporcionar información valiosa para el futuro
El estudio también tiene implicaciones importantes sobre cómo se podría mejorar la fotosíntesis, dice el director de Max Planck, Tobias Erb: «Nuestra investigación nos enseñó que los intentos tradicionales de mejorar Rubisco podrían haber estado buscando en el lugar equivocado: durante años, la investigación se centró únicamente en cambiar los aminoácidos. en Rubisco para mejorarlo. Nuestro trabajo ahora sugiere que agregar componentes de proteína completamente nuevos a la enzima podría ser más productivo y puede abrir caminos evolutivos que de otro modo serían imposibles. Esta es una tierra desconocida para la ingeniería de enzimas».
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Max-Planck-Gesellschaft. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
