bomba de protones
Una nueva investigación revela cómo los microbios marinos usan una membrana adicional que alguna vez tuvo funciones digestivas para aumentar su rendimiento de la fotosíntesis.

Un artículo de Saugat Bolakhe. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

Una densa selva tropical u otra vegetación terrestre verde puede ser lo primero que viene a la mente al mencionar la fotosíntesis. Sin embargo las nubes de fitoplancton que llenan los océanos son las principales impulsoras de ese proceso en la naturaleza. Los microbios acuáticos unicelulares similares a plantas generan más del 50 % del oxígeno de la atmósfera y absorben casi la mitad del dióxido de carbono, convirtiéndolo en glucosa, grasas, proteínas y otras moléculas orgánicas que nutren la red alimentaria de los océanos. .

Un estudio publicado recientemente en Current Biology ha determinado finalmente la fuente de esta eficiencia fotosintética sin precedentes, que ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo. La nueva investigación descubrió que algunos fitoplánctones están equipados con una membrana interna adicional que lleva una enzima «bomba de protones» que potencia su capacidad para convertir el dióxido de carbono en otras sustancias. Las mejoras debidas a esta modificación de proteína parecen contribuir a la producción de casi el 12% del oxígeno del aire y hasta el 25% de todo el carbono «fijado» (bloqueado en compuestos orgánicos) en el océano.

Sorprendentemente, esta innovación fotosintética parece haber evolucionado por casualidad a partir de una proteína de membrana que se utilizó originalmente para la digestión en el ancestro del fitoplancton. Además de explicar la eficiencia de las células en la fotosíntesis, el nuevo trabajo ayuda a confirmar la teoría de que ese fitoplancton surgió a partir de una alianza simbiótica entre un protozoo y una resiliente alga roja.

«Me parece asombroso que una enzima de protones que conocemos desde hace tantas décadas sea responsable de mantener un fenómeno tan crucial en la Tierra», afirma Dennis Brown, biólogo celular de la Escuela de Medicina de Harvard que estudia las funciones de las proteínas de membrana y no ha estado involucrado en el estudio.

Los investigadores sabían que ciertas clases de fitoplancton (diatomeas, dinoflagelados y cocolitóforos) destacan por sus excepcionales habilidades fotosintéticas. Estas células son extremadamente hábiles en absorber dióxido de carbono de su entorno y dirigirlo a sus cloroplastos para la fotosíntesis, pero los detalles de por qué son tan buenas en esto no estaban muy claros. Sin embargo, una característica exclusiva de esos tres grupos de fitoplancton es que tienen una membrana extra alrededor de sus cloroplastos.

Hace siete años, el microbiólogo Daniel Yee, el primer autor del nuevo estudio, estaba estudiando diatomeas para su doctorado en la Institución Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego. La fotosíntesis no era su objetivo; buscaba comprender cómo las diatomeas regulan su acidez interna para ayudar con el almacenamiento de nutrientes y construir su resistente pared celular de sílice. Pero notaba repetidamente la característica membrana adicional alrededor de sus cloroplastos.

Aprendió que la membrana adicional era ampliamente considerada por los investigadores como un remanente de un antiguo acto fallido de digestión. Los científicos habían planteado la hipótesis de que, hace unos 200 millones de años, un protozoo depredador había tratado de darse un festín con un alga fotosintética unicelular. Envolvió a la resiliente alga en una estructura membranosa llamada vacuola alimenticia para digerirla pero, por razones desconocidas, la digestión no ocurrió. En cambio, el alga sobrevivió y se convirtió en una compañera simbiótica del protozoo, alimentándolo con los frutos de su fotosíntesis. Esta asociación se hizo más profunda a lo largo de las generaciones hasta que el nuevo organismo dos-en-uno evolucionó hasta convertirse en las diatomeas que conocemos hoy. Pero la capa de membrana adicional que había sido una vacuola alimenticia no desapareció.

A fines de la década de 1990, algunos científicos plantearon la hipótesis de que era probable que la antigua vacuola alimenticia todavía poseyese una proteína transmembranal llamada bomba de protones. Las bombas de protones son moléculas muy versátiles que pueden especializarse para diversas tareas en los organismos, desde la digestión hasta la regulación de la acidez de la sangre y ayudar a las neuronas a enviar señales, explica el microbiólogo Martin Tresguerres, coautor principal del nuevo estudio y antiguo director de tesis de Yee en la UCSD. En los mamíferos, un tipo de bomba de protones puede crear condiciones ácidas altamente corrosivas dentro de áreas de los huesos para descomponer su estructura mineralizada y disolverla con el tiempo.

Yee descubrió que la misma bomba de protones también ayuda a las diatomeas a fabricar su resistente caparazón de sílice. Pero considerando la versatilidad de la bomba de protones y su asociación directa con el cloroplasto, estaba convencido de que hacía aún más.

Usando una combinación de técnicas de biología molecular, Yee y su equipo confirmaron que la membrana adicional alrededor del cloroplasto del fitoplancton contiene una bomba de protones activa y funcional, una llamada VHA, que a menudo cumple una función digestiva en las vacuolas alimenticias. Incluso fusionaron la bomba de protones con una proteína fluorescente para poder verla funcionar en tiempo real. Sus observaciones respaldaron la teoría endosimbiótica de cómo las diatomeas adquirieron la membrana adicional alrededor de sus cloroplastos.

Yee, Tresguerres y sus colegas también tenían curiosidad sobre cómo la bomba de protones podría afectar a la actividad fotosintética del cloroplasto. Para averiguarlo, utilizaron un fármaco inhibidor, la concanamicina A, para detener el funcionamiento de la bomba de protones mientras controlaban cuánto carbono seguía el fitoplancton incorporando formando carbonatos y produciendo oxígeno. Encontraron que la inhibición de la bomba de protones disminuyó significativamente tanto la fijación de carbono como la producción de oxígeno en las células.

Trabajo adicional les ayudó a comprender que la bomba mejoraba la fotosíntesis al concentrar el carbono cerca de los cloroplastos. La bomba transfería protones desde el citoplasma al espacio entre la membrana extra y el cloroplasto. El aumento de la acidez en este compartimento provocaba que más carbono (en forma de iones bicarbonato) se difundiera en él para neutralizarlo. Las enzimas convirtían el bicarbonato nuevamente en dióxido de carbono, que estaba entonces convenientemente cerca de las enzimas fijadoras de carbono del cloroplasto.

Usando estadísticas sobre la distribución de las diatomeas y otro fitoplancton con la membrana adicional en todo el océano global, los investigadores extrapolaron que este aumento en la eficiencia de la proteína de membrana VHA representa casi el 12% del oxígeno atmosférico de la Tierra. También aporta entre el 7% y el 25% de todo el carbono oceánico fijado cada año. Eso es al menos 3.500 millones de toneladas de carbono, casi cuatro veces más de lo que emite anualmente la industria de la aviación mundial. En el extremo superior de la estimación de los investigadores VHA podría ser responsable de retener hasta 13.500 millones de toneladas de carbono al año.

Los científicos ahora pueden agregar este factor a otras consideraciones al estimar los efectos del cambio climático en la rapidez con la que el dióxido de carbono atmosférico se fija en moléculas orgánicas, lo que determina la rapidez con la que el planeta continuará calentándose. También se relaciona con las discusiones sobre si los cambios en la acidez del océano tendrán un impacto directo en las tasas de fijación de carbono y producción de oxígeno. Yee afirma que los científicos también pueden comenzar a preguntarse si las soluciones biotecnológicas basadas en el mecanismo recién descubierto podrían mejorar el proceso de secuestro de carbono para limitar el cambio climático.

Yee, que ahora es becario postdoctoral en el Laboratorio de Fisiología Celular y Vegetal del Centro Nacional Francés de Investigación Científica en Grenoble, se enorgullece de que su equipo haya podido proporcionar un nuevo mecanismo sobre cómo ocurre la fotosíntesis en una forma de vida tan importante desde el punto de vista ecológico.

“Pero también nos damos cuenta”, concluye, “que cuanto más aprendemos, menos sabemos”.

El artículo original, Microbes Gained Photosynthesis Superpowers From a ‘Proton Pump’, se publicó el 5 de julio de 2023 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López