Las diatomeas son algas unicelulares microscópicas que se encuentran en aguas naturales de todo el mundo. Durante la fotosíntesis, absorben grandes cantidades de dióxido de carbono, el principal gas de efecto invernadero emitido por las actividades humanas, y lo convierten en biomasa. El carotenoide fucoxantina permite que las diatomeas cosechen eficientemente la parte verde azulada de la luz solar para la fotosíntesis.

En colaboración con un equipo de investigación internacional, los investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) en Alemania ahora descubrieron cómo las algas producen este pigmento importante y ampliamente utilizado. Su trabajo ha sido publicado recientemente en un artículo científico en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Nuevos conocimientos sobre la síntesis de fucoxantina

Las diatomeas, que prosperan tanto en ambientes marinos como de agua dulce en todo el mundo, son el grupo de algas más rico en especies y se estima que representan hasta una quinta parte de la fijación global de dióxido de carbono fotosintético. A diferencia de las hojas verdes fotosintéticamente activas de las plantas terrestres, las diatomeas son de color marrón. Su coloración distintiva es causada por el carotenoide captador de luz fucoxantina que permite la absorción eficiente y la utilización fotosintética de la luz azul verdosa que prevalece en muchos hábitats acuáticos. La fucoxantina es uno de los carotenoides más abundantes en la tierra y un importante impulsor de la fotosíntesis marina.

Durante la última década, la fucoxantina también se ha convertido en un tema de creciente interés para aplicaciones nutracéuticas y farmacéuticas. Mencionado por primera vez en la literatura científica hace ya 150 años como un pigmento importante en las algas pardas, la estructura química de la fucoxantina se estableció en la década de 1960. Sin embargo, hasta ahora no se sabía cómo las algas sintetizan este importante producto natural.

Los grupos de investigación del Dr. Martin Lohr de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), el profesor Graham Peers de la Universidad Estatal de Colorado en Fort Collins, EE. diatomeas, reportadas en un manuscrito conjunto publicado en PNAS .

Usando las tijeras genéticas CRISPR/Cas9, los investigadores alteraron genes en la diatomea Phaeodactylum tricornutum que codifican proteínas con una gran similitud con las enzimas involucradas en la biosíntesis de carotenoides en plantas terrestres. La eliminación de dos de estas enzimas candidatas resultó en mutantes de color verde que carecían de fucoxantina, pero habían acumulado otros carotenoides en su lugar y tenían una eficiencia fotosintética fuertemente disminuida. La caracterización bioquímica detallada de los nuevos carotenoides y de las enzimas que fueron eliminadas en los mutantes permitió a los investigadores proponer el camino completo hacia la fucoxantina en las diatomeas.

Síntesis a través de una vía compleja con intermediarios previamente desconocidos

La vía resultó ser sustancialmente más compleja de lo previsto y abarca tres intermediarios carotenoides novedosos. Sobre la base de los análisis bioinformáticos de las enzimas recién descubiertas y su distribución entre las algas, los investigadores también pudieron demostrar que la vía de la fucoxantina evolucionó mediante la duplicación de genes antiguos para enzimas que catalizan la formación de carotenoides fotoprotectores.

Como explican los autores, los carotenoides en los organismos fotosintéticos sirvieron inicialmente como protectores bajo un exceso de luz. Su trabajo reciente muestra que las diatomeas duplicaron repetidamente los componentes de la caja de herramientas enzimática que genera estos pigmentos fotoprotectores. Algunas de las copias obtuvieron funciones novedosas, lo que permitió la síntesis de carotenoides más complejos que resultaron ser particularmente adecuados para la captación de luz fotosintética. En particular, las algas pardas evolutivas más jóvenes carecen de estas enzimas adicionales y los nuevos carotenoides intermedios. En cambio, parecen usar una vía modificada que evolucionó al acortar la vía en las diatomeas.

Todavía no es posible una transferencia de la vía biosintética completa de la fucoxantina a otros organismos. "Hemos identificado todos los intermediarios de la ruta, pero aún se desconocen algunas de las enzimas involucradas", dijo el Dr. Martin Lohr del Instituto de Fisiología Molecular (IMP) de JGU. Sin embargo, los autores esperan que sus hallazgos fomenten la identificación de las enzimas que aún faltan. Además, los mutantes de diatomeas verdes brindarán oportunidades de investigación sin precedentes para una comprensión más profunda de la biogénesis y la regulación del aparato fotosintético en este prominente grupo de algas de particular importancia ecológica. + Explora más

Arrojando luz sobre el color marrón de las algas