Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) ha descubierto cómo funcionan los carboxisomas (estructuras fijadoras de carbono que se encuentran en algunas bacterias y algas). El avance podría ayudar a los científicos a rediseñar y reutilizar las estructuras para permitir que las plantas conviertan la luz solar en más energía, allanando el camino para mejorar la eficiencia de la fotosíntesis, aumentando potencialmente el suministro mundial de alimentos y mitigando el calentamiento global.
Los carboxisomas son pequeños compartimentos en ciertas bacterias y algas que encierran determinadas enzimas en una capa hecha de proteínas. Realizan la fijación de carbono, que es el proceso de convertir el dióxido de carbono de la atmósfera en compuestos orgánicos que la célula puede utilizar para crecimiento y energía. Los científicos han estado intentando descubrir cómo se unen estos compartimentos.
En su última investigación, el equipo dirigido por el Prof. Zeng Qinglu, profesor asociado del Departamento de Ciencias Oceánicas de HKUST, ha mostrado la arquitectura general de los carboxisomas purificados a partir de un tipo de bacteria llamada Proclorococo.
En colaboración con el profesor Zhou Cong-Zhao de la Facultad de Ciencias de la Vida de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, el equipo superó una de las mayores dificultades técnicas en la rotura y contaminación celular, que impediría la purificación adecuada de los carboxisomas. El equipo también propone un modelo de ensamblaje completo del α-carboxisoma, que no se ha observado en estudios anteriores.
Su investigación se publica en la revista Nature Plants. .
El equipo utilizó específicamente microscopía crioelectrónica de una sola partícula para determinar la estructura del α-carboxisoma y caracterizar el patrón de ensamblaje de la cubierta proteica, que parece una forma de 20 lados con proteínas específicas dispuestas en su superficie. Para obtener la estructura del α-carboxisoma mínimo con un diámetro de 86 nm, recopilaron más de 23.400 imágenes tomadas con el microscopio en el Centro Biológico Cryo-EM de HKUST y recogieron manualmente alrededor de 32.000 partículas de α-carboxisoma intactas para su análisis.
En el interior, las enzimas RuBisCO están dispuestas en tres capas concéntricas, y el equipo de investigación también descubrió que una proteína llamada CsoS2 ayuda a mantener todo unido dentro de la cáscara. Finalmente, los hallazgos sugieren que los carboxisomas se unen de afuera hacia adentro. Esto significa que la superficie interior de la cáscara está reforzada por ciertas partes de la proteína CsoS2, mientras que otras partes de la proteína atraen las enzimas RuBisCO y las organizan en capas.
Una de las aplicaciones más prometedoras del carboxisoma es la biología sintética de las plantas, mediante la introducción del carboxisoma en los cloroplastos de las plantas como CO2. -El mecanismo de concentración puede mejorar la eficiencia fotosintética y el rendimiento de los cultivos.
"Nuestro estudio revela el misterio del ensamblaje del α-carboxisoma del Proclorococo, proporcionando así conocimientos novedosos sobre el ciclo global del carbono", afirma el profesor Zeng.
Los hallazgos también serán importantes para frenar el calentamiento global, explica, ya que las cianobacterias marinas fijan el 25% del CO2 global. . "Nuestra comprensión del CO2 El mecanismo de fijación de las cianobacterias marinas nos permitirá mejorar sus emisiones de CO2 tasa de fijación para que más CO2 puede eliminarse de la atmósfera", afirma.
Después de este estudio, el equipo planea introducir el α-carboxisoma de Proclorococcus en los cloroplastos de las plantas e investigar si el α-carboxisoma mínimo puede mejorar la eficiencia fotosintética en las plantas. También planean modificar los genes de los carboxisomas y crear supercianobacterias genéticamente modificadas que sean capaces de fijar dióxido de carbono a tasas muy altas, lo que podría frenar el calentamiento global.
Más información: Rui-Qian Zhou et al, Estructura y ensamblaje del α-carboxisoma en la cianobacteria marina Proclorococcus, Nature Plants (2024). DOI:10.1038/s41477-024-01660-9
Información de la revista: Plantas naturales
Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong
