Cianobacterias: una nueva enzima regularía el número de CO2

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Las cianobacterias o algas verdiazules son organismos fotosintéticos, es decir fabrican su alimento a partir de agua y dióxido de carbono, utilizando la energía solar. 

Cumplen un rol muy importante en la regulación del dióxido de carbono atmosférico porque lo absorben y transforman en compuestos orgánicos como la glucosa, que luego son utilizados como fuente de energía.  

Si bien en la fotosíntesis intervienen varias enzimas (proteínas que catalizan reacciones químicas) la más importante es la ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa (RuBisCO). 

Recientemente científicos australianos han descubierto que en la mayoría de las cianobacterias existe un trabajo conjunto entre la RuBisCO y otra enzima: la anhidrasa carbónica carboxisomal (CsoSCA), que aumenta la eficiencia en la captación y en la fijación del dióxido de carbono. 

El hallazgo fue publicado en la revista especializada Science Advances en mayo de 2024. 

La nutritiva fijación de carbono

Los organismos fotosintéticos toman el dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera y lo transforman en glucosa. Este proceso es muy importante ya que brinda oxígeno a la atmósfera y produce alimento tanto para dichos organismos como para sustentar las redes tróficas. 

Figura 1

Esquema de la fotosíntesis, donde se observa los reactivos y los productos de este proceso.

La enzima clave en la fotosíntesis es la ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa (RuBisCO), quizás la proteína más abundante del planeta. 

Para optimizar el funcionamiento de esta enzima y por ende, la fijación del CO2 las cianobacterias tienen unas estructuras celulares llamadas carboxisomas en cuyo interior se encuentran la RuBisCO y una segunda enzima, la anhidrasa carbónica. Estas dos enzimas trabajan colaborativamente. La anhidrasa aumenta la concentración de CO2 dentro del carboxisoma y por lo tanto alrededor de la RuBisCO, favoreciendo que esta lo utilice para la fabricación de glucosa.

Figura 2
Diagrama de una cianobacteria

Es fundamental que las cianobacterias regulen la fijación del carbono ya que ese hecho les permite sostener una producción constante y efectiva de energía y de compuestos orgánicos, y así adaptarse a distintas condiciones ambientales. Si bien ya se habían descripto distintos niveles y tipos de regulación en este proceso. Es en la reciente investigación australiana, antes mencionada, que se descubre un nuevo mecanismo de regulación mediante la enzima anhidrasa carbónica. 

 

Formas de la anhidrasa carbónica

Existen varias formas de anhidrasa carbónica. 

En la investigación realizada por científicos de The Australian National University, Cyanobacterial α-carboxysome carbonic anhydrase is allosterically regulated by the Rubisco substrate RuBP, los biólogos y químicos a cargo del estudio analizaron en detalle el funcionamiento y la regulación de la forma  CsoSCA, presente en un grupo de cianobacterias llamadas Ⲁ-cianobacterias. 

El equipo comprobó que el funcionamiento de la enzima CsoSCA es regulado por el mismo sustrato de la RuBisCO: la ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP). 

De tal forma que esta molécula se une a la CsoSCA, y la activa. Sólo así funciona correctamente. 

Así, las dos enzimas, RuBisCO y CsoSCA se regulan mutuamente incrementando la tasa de fijación del dióxido de carbono. 

Implicancias de este descubrimiento

Las cianobacterias son uno de los grupos de organismos fotosintéticos más importantes de la Tierra. Están ampliamente extendidas por mares, océanos y cuerpos de agua dulce de todo el planeta. 

Gracias al hallazgo de la regulación mutua entre las moléculas CsoSCA y RuBisCO se abren nuevos interrogantes.

También diversos usos humanos de este tipo de algas:

 

• • 1. Para el diseño de cultivos que sean más eficientes en la captura y utilización del CO2. Si se pudiera identificar el gen para la enzima CsoSCA, mediante ingeniería genética se podrían crear cultivos transgénicos que fueran más eficientes en la fijación del carbono atmosférico. Así aumentaría la producción de alimentos y al mismo tiempo se reduciría la demanda de fertilizantes nitrogenados y de sistemas de riego.  También se garantizaría que los sistemas alimentarios del mundo fueran más resilientes al cambio climático. 
    2. Para la reducción de la cantidad de gases invernaderos. A través de ingeniería genética se pueden modificar plantas y algas para aumentar la fijación de CO2 en pos de reducir el calentamiento global. Este gas es el responsable del efecto invernadero en atmósfera terrestre por lo que su absorción contribuiría a disminuir el cambio climático.
    3. En la inhibición o reducción de la tasa fotosintética. Las cianobacterias son comúnmente conocidas por sus proliferaciones tóxicas en lagos y ríos; principalmente en aquellas aguas que han sufrido intervención humana como el enriquecimiento en nutrientes o la eutrofización. Estas algas producen varias toxinas que pueden afectar a la fauna y flora acuícola, así como a la salud humana. Se podría inhibir o limitar la acción de las enzimas anhidrasa carbónica y/o RuBisCO en estas algas, para así reducir la tasa fotosintética y disminuir las proliferaciones en aguas de importancia humana y también en ecosistemas contaminados. 

Figura 3

Proliferación de cianobacterias en el Lago San Roque de la provincia de Córdoba.

 

Bibliografía

• Pulsford, S. B., Outram, M. A., Förster, B., Rhodes T., Williams S. J., Badger M., Dean Price G., Jackson C. J. y Long B. (2024). Cyanobacterial α-carboxysome carbonic anhydrase is allosterically regulated by the Rubisco substrate RuBP. Science Advances. 10 (19). DOI: 10.1126/sciadv.adk7283
• Redacción. (13 de mayo de 2024). Una enzima permite diseñar cultivos devoradores de carbono. Europapress.es. Recuperado en septiembre de 2024. https://www.europapress.es/ciencia/laboratorio/noticia-enzima-permite-disenar-cultivos-devoradores-carbono-20240513104858.html
• Davis, U. C., y Watry G. (31 de agosto de 2020). Eslabón perdido encontrado en la historia evolutiva de la proteína fijadora de carbono Rubisco. Innovative Genomics. Recuperado en septiembre de 2024. https://innovativegenomics.org/es/noticias/eslab%C3%B3n-perdido-encontrado-historia-evolutiva-prote%C3%ADna-fijadora-de-carbono-rubisco/