La fotosíntesis es un proceso biológico fundamental mediante el cual las plantas usan energía de la luz para el crecimiento. La mayoría de las formas de vida en la Tierra dependen directa o indirectamente de la fotosíntesis.
Sociedad Max Planck.
Investigadores del Instituto de Bioquímica Max Planck en Alemania han colaborado con colegas de la Universidad Nacional de Australia para estudiar la formación de carboxisomas, una estructura que aumenta la eficiencia de la fotosíntesis en bacterias acuáticas. Sus resultados, ahora publicados en Nature , podrían llevar a la ingeniería de plantas con una fotosíntesis más eficiente y, por lo tanto, a mayores rendimientos de cultivos.
Con el aumento de la población mundial en aproximadamente 80 millones de personas cada año, la demanda de alimentos aumenta constantemente. Para satisfacer esta demanda, los científicos están trabajando en estrategias para mejorar la productividad de los cultivos.
Fotosíntesis – esencial pero ineficiente
Mientras que la mayoría de los organismos tienen que consumir nutrientes para generar energía para las células, las plantas y algunos microbios pueden alimentar sus células con energía de luz. A través de la fotosíntesis, convierten el agua y el dióxido de carbono (CO 2 ) en azúcar y oxígeno con la ayuda de la luz solar. La enzima crítica de esta reacción es rubisco, que cataliza la fijación de CO 2 de la atmósfera.
Sin embargo, el rubisco, que se estima que es la enzima más abundante en la Tierra, funciona lenta e ineficientemente. En lugar de CO de unión 2 , rubisco también puede reaccionar con el oxígeno. Mucha energía se pierde en esta reacción secundaria. Por lo tanto, los científicos están tratando de diseñar una versión más eficiente de rubisco para mejorar el crecimiento de las plantas. Un equipo liderado por Manajit Hayer-Hartl ahora ha hecho una contribución importante a estos esfuerzos.
Las cianobacterias son microbios acuáticos que realizan la fotosíntesis. Han desarrollado una estrategia para aumentar la eficiencia de su enzima rubisco. Las cianobacterias aumentan localmente la concentración de CO 2 en estructuras especializadas llamadas carboxisomas y confinan su rubisco a estas estructuras. De esta manera, las cianobacterias reducen la energía que se pierde en la reacción secundaria con el oxígeno. El nuevo estudio ahora ha demostrado cómo se inicia la formación de carboxisomas.
Atrapando al rubisco para energía extra.
Las cianobacterias usan una proteína auxiliar llamada CcmM para capturar el rubisco. CcmM está compuesto de varios módulos de repetición que se asemejan a la subunidad pequeña de rubisco; por lo tanto, durante mucho tiempo se asumió que estos módulos reemplazan a las subunidades pequeñas de rubisco cuando las proteínas interactúan, vinculando así a las proteínas rubisco.
Sin embargo, el complejo entre CcmM y rubisco es altamente dinámico y, por lo tanto, no se puede resolver con los métodos tradicionales de biología estructural. «En este estudio, aprovechamos el método en rápido desarrollo de la microscopía crioelectrónica para capturar estas interacciones dinámicas», dice Huping Wang, primer autor compartido del estudio. Usando crio-EM, los investigadores demostraron que CcmM no reemplaza a la pequeña subunidad de rubisco, sino que une las proteínas de rubisco mediante un mecanismo inesperado.
La interacción entre CcmM y rubisco provoca la des-mezcla del complejo de proteínas de otras proteínas en la célula. «Esta descomposición de proteínas se denomina separación de fases, un proceso que concentra las proteínas a nivel local. En las cianobacterias, la capa de proteínas del carboxisoma se forma alrededor de la CcmM separada por fases y rubisco para capturarlas», explica Xiao Yan, primer autor compartido. de El estudio. Un proceso similar de separación de fases también desempeña un papel en las enfermedades neurodegenerativas, como la esclerosis lateral amiotrófica.
La formación de carboxisomas aumenta la fotosíntesis porque estos microcompartimentos concentran el CO 2 en la vecindad de rubisco, haciendo que la enzima sea más eficiente. Los resultados del nuevo estudio mejoran en gran medida la comprensión de cómo se forman estas estructuras de concentración de CO 2 .
Manajit Hayer-Hartl describe una posible aplicación de los resultados del estudio: «Si pudiéramos transferir los carboxisomas funcionales a plantas superiores, esto daría un impulso adicional a los cultivos al permitirles reparar el CO 2 de manera más eficiente. La energía, que generalmente se pierde. En la reacción del rubisco con el oxígeno, iría hacia la producción de biomasa «. A largo plazo, los conocimientos de la investigación de Hayer-Hartl podrían contribuir a la generación de cultivos más eficientes, reducir la demanda de fertilizantes y mejorar el suministro mundial de alimentos.
Explorar más: el futuro de la ingeniería de cultivos
Más información: H. Wang et al. Formación de condensado de Rubisco por CcmM en biogénesis de β-carboxisoma, Nature (2019). DOI: 10.1038 / s41586-019-0880-5
Referencia del diario: Naturaleza
Proporcionado por: Max Planck Society
Información de: phys.org
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