El regreso de enzimas de miles de millones de años revela cómo la fotosíntesis se adaptó al aumento de oxígeno

La enzima más común en la tierra es Rubisco, que sirve como el principal biocatalizador en la fotosíntesis. Un grupo de investigadores de Max Planck entendió una de las principales adaptaciones de la fotosíntesis temprana al reconstruir enzimas de miles de millones de años. Sus hallazgos no solo arrojan luz sobre la evolución de la fotosíntesis moderna, sino que también brindan nuevas ideas para mejorarla.

La existencia actual depende por completo de la captura y conversión de CO2 por parte de criaturas fotosintéticas como plantas y algas. Una enzima conocida como Rubisco, que absorbe más de 400 mil millones de toneladas de CO2 al año, está en el centro de estas operaciones. Rubisco ha tenido que adaptarse constantemente a las cambiantes circunstancias ambientales para ocupar una posición tan importante en el ciclo global del carbono. Un equipo del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Marburg, Alemania, en asociación con la Universidad de Singapur, ha revivido y estudiado con éxito enzimas de miles de millones de años en el laboratorio utilizando una combinación de métodos computacionales y sintéticos. Los investigadores encontraron que en este proceso, al que llaman “paleontología molecular”, un componente completamente nuevo prepara la fotosíntesis para adaptarse a niveles de oxígeno aumentados en lugar de mutaciones directas en el centro activo.

La primera confusión de Rubisco Rubisco es muy antiguo; apareció por primera vez al comienzo del metabolismo, unos cuatro mil millones de años antes de que el oxígeno estuviera presente en la tierra. A medida que aumentaban los niveles de oxígeno en la atmósfera y se desarrollaba la fotosíntesis productora de oxígeno, la enzima comenzó a catalizar una reacción no deseada en la que confundía el O2 con el CO2 y creaba compuestos que son dañinos para las células. Este alcance poco claro del sustrato continúa dañando a los Rubiscos en la actualidad y reduce la productividad fotosintética. Aunque la especificidad del CO2 aumentó con el tiempo en los rubiscos que evolucionaron en ambientes ricos en oxígeno, ninguno de ellos pudo eliminar por completo la respuesta de eliminación de oxígeno.

Todavía no está claro qué factores químicos contribuyen a la mayor especificidad de CO2 de Rubisco. Sin embargo, los que trabajan para mejorar la fotosíntesis están muy interesados ​​en ella. Curiosamente, los Rubiscos con mayor especificidad de CO2 reclutaron un componente proteico completamente nuevo con una función no identificada. Aunque se suponía que este componente era el responsable de aumentar la especificidad del CO2, era difícil determinar la verdadera causa de su origen porque ya había evolucionado durante un período de miles de millones de años. Estudiar la evolución resucitando proteínas antiguas en el laboratorio

Investigadores del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Marburg y la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur han utilizado un algoritmo estadístico para recrear formas de Rubiscos que existieron hace miles de millones de años, antes de que los niveles de oxígeno comenzaran a aumentar, para comprender este fundamental acontecimiento en evolución. Rubiscos más específicos. El equipo de Tobias Erb y Georg Hochberg de Max Planck revivió estas proteínas obsoletas en el laboratorio para estudiar sus propiedades. Los investigadores se preguntaron específicamente si la aparición de una mayor especificidad tenía algo que ver con el nuevo componente de Rubisco. La respuesta fue sorprendente, como explica el investigador doctoral Luca Schulz: “Esperábamos que el nuevo componente excluyera directamente el oxígeno del centro catalítico de Rubisco. Esto no es lo que sucedió. En cambio, esta nueva subunidad parece actuar como un modulador evolutivo: el reclutamiento de la subunidad cambió el efecto de las mutaciones posteriores en la subunidad catalítica de Rubisco. Tuvo un efecto enorme 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 de “modulador evolutivo” también explica otro aspecto misterioso del nuevo componente proteico: la Rubisco que la incorporó es completamente dependiente de ella, aunque otras formas de Rubisco pueden funcionar perfectamente sin ella. . 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 dañinas. Con la acumulación de tales mutaciones, Rubisco efectivamente se volvió adicto a su nueva subunidad.

Los resultados en conjunto brindan una explicación de por qué Rubisco ha mantenido este nuevo componente proteico desde su descubrimiento. Georg Hochberg, director del Grupo de Investigación Max Planck, explica: “El hecho de que esta conexión se haya descubierto recientemente subraya cuán crucial es el análisis evolutivo para comprender la bioquímica que impulsa el mundo que nos rodea. Podemos aprender mucho sobre por qué las biomoléculas como Rubisco son lo que son hoy estudiando su pasado. Además, todavía sabemos muy poco sobre la historia evolutiva de muchos fenómenos biológicos. Por lo tanto, ser un bioquímico evolutivo en este momento es increíblemente interesante porque aún no se ha descubierto casi la historia molecular completa de la célula”. El viaje científico en el tiempo puede proporcionar información invaluable para el futuro.

Según el director de Max Planck, Tobias Erb, el estudio también tiene implicaciones importantes sobre cómo se puede mejorar la fotosíntesis. “Nuestra investigación nos ha demostrado que los intentos anteriores para mejorar la Rubisco pueden haber estado buscando en el área equivocada. Durante muchos años, la investigación se limitó a modificar los aminoácidos en la propia Rubisco. Nuestra investigación indica que la modificación de la enzima con partes de proteínas completamente nuevas podría ser más beneficioso y abrir caminos evolutivos previamente infranqueables. El campo de la ingeniería enzimática no se explora aquí. (ANI)

(Esta historia no ha sido editada por el equipo de Devdiscourse y se genera automáticamente a partir de un feed sindicado).