Dos nuevos estudios de algas verdes, el flagelo de los propietarios de piscinas y estanques de agua dulce, han revelado nuevos conocimientos sobre cómo estos organismos extraen dióxido de carbono del aire para usarlo en la fotosíntesis. un factor clave en su capacidad para crecer tan rápido. Comprender este proceso puede ayudar algún día a los investigadores a mejorar la tasa de crecimiento de cultivos como el trigo y el arroz.

En los estudios publicados esta semana en la revista Celda , el equipo dirigido por Princeton informó sobre el primer inventario detallado de la maquinaria celular, ubicada en un orgánulo conocido como pirenoide, que las algas usan para recolectar y concentrar dióxido de carbono. Los investigadores también encontraron que el pirenoide, durante mucho tiempo se pensó que era una estructura sólida, en realidad se comporta como una gota de líquido que puede disolverse en el medio celular circundante cuando las células de las algas se dividen.

"Comprender cómo las algas pueden concentrar el dióxido de carbono es un paso clave hacia el objetivo de mejorar la fotosíntesis en otras plantas, "dijo Martin Jonikas, profesor asistente de biología molecular en Princeton y líder de los estudios, que incluyó colaboradores en el Instituto Max Planck de Bioquímica en Alemania y la Institución Carnegie para la Ciencia en el campus de la Universidad de Stanford. "Si pudiéramos diseñar otros cultivos para concentrar carbono, podríamos abordar la creciente demanda mundial de alimentos, "Dijo Jonikas.

Las algas acuáticas y un puñado de otras plantas han desarrollado mecanismos de concentración de carbono que aumentan la tasa de fotosíntesis. el proceso por el cual las plantas convierten el dióxido de carbono y la luz solar en azúcares para su crecimiento. Todas las plantas usan una enzima llamada Rubisco para "fijar" dióxido de carbono en azúcar que la planta puede usar o almacenar.

Las algas tienen una ventaja sobre muchas plantas terrestres porque agrupan las enzimas Rubisco dentro del pirenoide, donde las enzimas encuentran altas concentraciones de dióxido de carbono bombeado desde el aire. Tener más dióxido de carbono alrededor permite que las enzimas Rubisco trabajen más rápido.

En el primero de los dos estudios informados esta semana, Los investigadores realizaron una búsqueda exhaustiva de proteínas involucradas en el mecanismo de concentración de carbono de una especie de alga conocida como Chlamydomonas reinhardtii. Usando técnicas que los investigadores desarrollaron para etiquetar y evaluar rápidamente las proteínas de las algas, los investigadores identificaron las ubicaciones y funciones de cada proteína, detallando las interacciones físicas entre las proteínas para crear un "interactoma" pirenoide.

La búsqueda reveló 89 nuevas proteínas pirenoides, incluidos los que los investigadores creen que introducen carbono en el pirenoide y otros que son necesarios para la formación del pirenoide. También identificaron tres capas previamente desconocidas del pirenoide que rodean el orgánulo como las capas de una cebolla. "La información representa la mejor evaluación hasta ahora de cómo está organizada esta maquinaria esencial de concentración de carbono y sugiere nuevas vías para explorar cómo funciona, "dijo Luke Mackinder, el primer autor del estudio y ex investigador postdoctoral en la Carnegie Institution que ahora dirige un equipo de investigadores en la Universidad de York, REINO UNIDO.

En el segundo estudio, los investigadores informan que el pirenoide, durante mucho tiempo se pensó que era una estructura sólida, en realidad es similar a un líquido. Las técnicas utilizadas en estudios anteriores requerían que los investigadores mataran y preservaran químicamente las algas antes de obtener imágenes de ellas. En este nuevo estudio, los investigadores tomaron imágenes de las algas mientras los organismos vivían usando una proteína amarilla fluorescente para etiquetar Rubisco.

Mientras observa las algas, Elizabeth Freeman Rosenzweig, luego un estudiante graduado de la Carnegie Institution, y Mackinder usó un láser de alta potencia para destruir la etiqueta fluorescente en Rubisco en la mitad del pirenoide, dejando intacta la etiqueta de la otra mitad del pirenoide. En minutos, la fluorescencia se redistribuye a todo el pirenoide, mostrando que las enzimas se mueven fácilmente como lo harían en un líquido.

Benjamín Engel, investigadora postdoctoral y líder de proyectos en el Instituto de Bioquímica Max Planck, exploró más a fondo este hallazgo utilizando otra técnica de imagen llamada tomografía crioelectrónica. Congeló y preparó células de algas enteras y luego las fotografió con un microscopio electrónico, que es tan sensible que puede resolver las estructuras de moléculas individuales.

La técnica permitió a Engel visualizar el pirenoide en tres dimensiones y con una resolución nanométrica. Al comparar estas imágenes con las de los sistemas líquidos, los investigadores confirmaron que el pirenoide estaba organizado como un líquido. "Este es uno de los raros ejemplos en los que la genética clásica, la biología celular y los enfoques de imágenes de alta resolución se reunieron en una sola investigación, "Dijo Engel.

El estudio permitió al equipo preguntarse cómo se transmite un pirenoide a la siguiente generación cuando las algas unicelulares se dividen en dos células hijas. Freeman Rosenzweig señaló que el pirenoide a veces no se divide, dejando una de las células hijas sin pirenoide.

Usando las proteínas fluorescentes, el equipo observó que la célula que no pudo recibir la mitad del pirenoide, de hecho, aún podría formar uno espontáneamente. Descubrieron que cada célula hija recibe cierta cantidad del pirenoide en su forma disuelta y que estos componentes casi indetectables pueden condensarse en un pirenoide completo.

"Creemos que la disolución de los pirenoides antes de la división celular y la condensación después de la división pueden ser un mecanismo redundante para garantizar que ambas células hijas obtengan pirenoides". "Jonikas dijo." De esa manera, ambas células hijas tendrán este orgánulo clave que es fundamental para asimilar el carbono ".

Para explorar más a fondo cómo podría suceder esto, Jonikas colaboró ​​con Ned Wingreen, Howard A. Prior, profesor de Princeton en Ciencias de la Vida y Biología Molecular. Wingreen y su equipo crearon una simulación por computadora de las interacciones entre Rubisco y otra proteína llamada EPYC1, que Mackinder y otros miembros del equipo de Jonikas descubrieron como crucial para el pirenoide, que actúa como pegamento para unir múltiples Rubiscos.

La simulación por computadora sugirió que el estado del pirenoide, ya sea una gota de líquido condensado o disuelto en el compartimiento circundante, dependía del número de sitios de unión en EPYC1. En la simulación, Rubisco tiene ocho sitios de enlace, u ocho lugares donde EPYC1 puede acoplarse a un Rubisco. Si EPYC1 tiene cuatro sitios de unión, luego, dos EPYC1 llenan exactamente todos los sitios de acoplamiento en un Rubisco, y viceversa. Debido a que estos complejos Rubisco-EPYC1 completamente unidos son pequeños, forman un estado disuelto. Pero si EPYC1 tiene tres o cinco sitios de unión, no puede llenar todos los sitios de Rubisco, y hay sitios abiertos en los Rubiscos para la unión de EPYC1 adicionales, que también cuentan con sitios gratuitos que pueden atraer a otros Rubiscos. El resultado es un grupo de Rubiscos y EPYC1 que forman una gota similar a un líquido.

El cambio en la fase del sistema dependiendo de la proporción de EPYC1 a los sitios de unión de Rubisco puede considerarse un efecto de "número mágico", un término que se usa típicamente en física para describir condiciones en las que un número específico de partículas forman un estado inusualmente estable. "Estos números mágicos, además de ser relevante para los sistemas pirenoides, puede tener algo de vigencia en el campo de la física de polímeros y potencialmente en la biología sintética, "Dijo Wingreen.

Wingreen y Jonikas continúan su colaboración y esperan desarrollar el proyecto tanto teóricamente, explorando diferentes flexibilidades y configuraciones de Rubisco y EPYC1, como experimentalmente, combinando las dos proteínas en un tubo de ensayo y manipulando el número de sitios de unión.

"La idea anterior era que cuantos más sitios de enlace tengan, cuanto más tienden a agruparse las proteínas, ", Dijo Jonikas." El descubrimiento de que existe un efecto de número mágico es importante no solo para los pirenoides, pero quizás para muchos otros orgánulos similares a líquidos que se encuentran en la naturaleza ".

Con estudios adicionales, Estos hallazgos pueden brindar información importante para garantizar la disponibilidad de cultivos de rápido crecimiento para una población mundial en expansión.