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El descubrimiento de cómo funciona una enzima crítica «oculta en el modelo de la naturaleza» arroja nueva luz sobre cómo las células controlan procesos clave en la fijación de carbono, un proceso fundamental para la vida en la Tierra.

por la Universidad Nacional de Australia

El descubrimiento, realizado por científicos de la Universidad Nacional Australiana (ANU) y la Universidad de Newcastle (UoN), podría ayudar a diseñar cultivos resistentes al clima capaces de absorber dióxido de carbono de la atmósfera de manera más eficiente, ayudando a producir más alimentos en el proceso.

La investigación, publicada en Science Advances , demuestra una función previamente desconocida de una enzima llamada anhidrasa carbónica carboxisomal (CsoSCA), que se encuentra en las cianobacterias, también llamadas algas verdiazules , para maximizar la capacidad de los microorganismos para extraer dióxido de carbono de la atmósfera. .

Las cianobacterias son comúnmente conocidas por sus proliferaciones tóxicas en lagos y ríos. Pero estos pequeños insectos azul verdosos están muy extendidos y también viven en los océanos del mundo.

Aunque pueden suponer un peligro para el medio ambiente, los investigadores los describen como «pequeños superhéroes del carbono». A través del proceso de fotosíntesis, desempeñan un papel importante en la captura de aproximadamente el 12% del dióxido de carbono mundial cada año.

Primer autor y Ph.D. El investigador Sacha Pulsford, de la ANU, describe cuán notablemente eficientes son estos microorganismos para capturar carbono.

«A diferencia de las plantas, las cianobacterias tienen un sistema llamado mecanismo de concentración de dióxido de carbono (CCM), que les permite fijar el carbono de la atmósfera y convertirlo en azúcares a un ritmo significativamente más rápido que las plantas y especies de cultivos estándar», dijo la Sra. Pulsford.

En el corazón de la CCM se encuentran grandes compartimentos proteicos llamados carboxisomas. Estas estructuras son responsables de secuestrar dióxido de carbono, albergando CsoSCA y otra enzima llamada Rubisco. Las enzimas CsoSCA y Rubisco funcionan al unísono, lo que demuestra la naturaleza altamente eficiente del CCM. El CsoSCA trabaja para crear una alta concentración local de dióxido de carbono dentro del carboxisoma que luego Rubisco puede engullir y convertir en azúcares para que las células los coman.

El autor principal, el Dr. Ben Long de la UoN, dijo: «Hasta ahora, los científicos no estaban seguros de cómo se controla la enzima CsoSCA. Nuestro estudio se centró en desentrañar este misterio, particularmente en un grupo importante de cianobacterias que se encuentran en todo el mundo. Lo que encontramos fue completamente inesperado .

«La enzima CsoSCA baila al ritmo de otra molécula llamada RuBP, que la activa como un interruptor. Piense en la fotosíntesis como hacer un sándwich. El dióxido de carbono del aire es el relleno, pero una célula fotosintética necesita proporcionar el pan. Eso es RuBP Al igual que se necesita pan para hacer un sándwich, la velocidad a la que se convierte el dióxido de carbono en azúcar depende de la rapidez con la que se suministra RuBP.

«La rapidez con la que la enzima CsoSCA suministra dióxido de carbono a Rubisco depende de la cantidad de RuBP presente. Cuando hay suficiente, la enzima se enciende. Pero si la célula se queda sin RuBP, la enzima se apaga, lo que hace que el sistema esté altamente sintonizado. «Y sorprendentemente, la enzima CsoSCA ha estado incrustada en el modelo de la naturaleza desde el principio, esperando ser descubierta».

Los científicos dicen que diseñar cultivos que sean más eficientes para capturar y utilizar dióxido de carbono proporcionaría un gran impulso a la industria agrícola al mejorar enormemente el rendimiento de los cultivos y al mismo tiempo reducir la demanda de fertilizantes nitrogenados y sistemas de riego. También garantizaría que los sistemas alimentarios del mundo sean más resilientes al cambio climático.

La Sra. Pulsford dijo: «Comprender cómo funciona el CCM no sólo enriquece nuestro conocimiento de los procesos naturales fundamentales para la biogeoquímica de la Tierra, sino que también puede guiarnos en la creación de soluciones sostenibles para algunos de los mayores desafíos ambientales que enfrenta el mundo».

Más información: Sacha Pulsford et al, La anhidrasa carbónica α-carboxisosoma cianobacteriana está regulada alostéricamente por el sustrato Rubisco RuBP, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk7283 . www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk7283

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