La fotosíntesis es un proceso físicoquímico por el cual las plantas, algas, bacterias fotosintéticas y algunos protistas como diatomeas, utilizan la energía de la luz solar para sintetizar compuestos orgánicos. Se trata de un proceso fundamental para la vida sobre la tierra y tiene un profundo impacto sobre la atmósfera y el clima terrestres.
Cada año los organismos con capacidad fotosintética convierten en carbohidratos más del 10% del dióxido de carbono atmosférico. Este proceso comienza con la fijación del dióxido de carbono por la ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxígenasa (Perez-Urria, 2009).
La ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/ oxígenasa o RuBisCo cataliza el primer paso en la asimilación fotosintética de carbono a través del ciclo de Calvin y es, por tanto, la principal vía de entrada del CO2 de la atmósfera en la biosfera. La reacción catalizada por el enzima convierte una molécula de ribulosa 1,5-bisfosfato y una de dióxido de carbono (CO2) en dos moléculas de 3-fosfoglicerato.
La RuBisCo tiene una baja afinidad por el CO2 y una baja velocidad de catálisis, por lo que las células de organismos fotosíntéticos acumulan grandes cantidades de la enzima (Marín, 2004).
Las cianobacterias son microorganismos fotoautotróficos que, a diferencia de las demás bacterias fotosintéticas, tienen un modelo de fotosíntesis dependiente de la actuación coordinada de dos fotosistemas que les permite utilizar el agua como donador de electrones. Con una antigüedad de más de 3500 millones de años, se les considera pioneros de la fotosíntesis oxigénica, precursores de los cloroplastos de algas y metafitas y, consecuentemente, responsables de los cambios drásticos en la composición atmosférica que la fotosíntesis a gran escala provocó en el planeta (Orus, 2015).
La posibilidad de modificar genéticamente a las plantas usando genes de cianobacterias aparece como una opción interesante para mejorar el rendimiento de los cultivos debido a que las cianobacterias pueden realizar la fotosíntesis mucho más rápido que las plantas.
Los objetivos de esta investigación se limitan a determinar los residuos de aminoácidos que se presume le permite a la RuBisCo de cianobacterias tener una mayor fijación de dióxido de carbono en comparación con las plantas a través de la determinación de la secuencia consenso de la RuBisCo de cada una y así determinar los residuos que son variables entre ellos.
Para ello, se recuperaron de 3 secuencias representativas de cianobacterias y 17 de plantas. Estas secuencias se alinearon de forma separada, es decir, las bacterianas y las de plantas de forma independiente, mediante MUSCLE, y se obtuvieron las secuencias consenso. Con la base de datos PDBSUM, se determinó la secuencia 3D, a partir del consenso.
Figura 1. Alineamiento múltiple de secuencias de RuBisCo de cianobacterias y plantas
Así, se pudo observar que existe un alto nivel de conservación en las secuencias de la RuBisCo, tanto en plantas como en cianobacterias (Fig. 1). Posteriormente al comparar las secuencias consenso se obtuvo un porcentaje de identidad del 84.2%. Con PDBsum, se compararon los residuos aminoacidicos y se observaron diferencias, tales como un mayor número de cadenas de aminoácidos en la RuBisCo de cianobacterias, donde se presentan los residuos catalíticos, los cuales no aparecían en las cadenas de aminoácidos de las plantas. (Fig. 2).
Figura 2. Estructuras tridimensionales de la RuBisCo. A la izquierda RuBisCo de cianobacterias y a la derecha, la de plantas. Se puede apreciar que, en la RuBisCo de las cianobacterias, presentan un mayor número de cadenas de aminoácidos, representados con diversos colores y una estructura más compacta.
Este resultado, nos ofrece la posibilidad de inferir que estas diferencias hacen que las cianobacterias tengan una actividad más específica y realicen la fijación de carbono en mayor cantidad como se reporta en trabajos que estudian los mecanismos de concentración de carbono (Orus, 2015).
Las estructuras tridimensionales de plantas y cianobacterias varían por la presencia de 4 cadenas a las que le atribuimos una mayor afindad por el CO2. Esto puede ayudarnos a complementar el trabajo realizado por Murren et al, (2015), en el cual lograron la modificación de plantas de tabaco al añadir la RuBisCo de cianobacterias aumentando su fijación de CO2 y su conversión a azúcares, sin embargo, las plantas requerían un ambiente saturado de CO2 para desarrollarse de manera adecuada.
Referencias
Pérez-Urria C (2009). Fotosíntesis: Aspectos Básicos. Facultad de Ciencias Biológicas. Universidad Complutense de Madrid.
Marín M (2004). Contribución de Residuos Conservados de Cisteína a la Regulación Redox del Catabolismo de la Rubisco. Departamento de Bioquímica y Biología Molecular. Universidad de Valencia.
Orus I (2015). Mecanismo de Concentración de Carbono en Cianobacterias. Departamento de Biología. Facultad de Ciencias. Universidad Autónoma de Madrid.
Hanson M, Occhialini A, Lin MT, Andralojc PJ (2015). Trangenic Tobacco plants with improved cyanobacterial Rubisco expression but no extra assembly factors grow at near wild-type rates if provided with eleveted CO2. The Plant Journal.
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