Ilustración de la membrana tilacoidea de cianobacterias. Crédito: Luning Liu et al.
Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Liverpool revela cómo los antiguos organismos fotosintéticos, las cianobacterias, evolucionan su maquinaria fotosintética y organizan su arquitectura de membrana fotosintética para la captura eficiente de la luz solar y la transducción de energía.
La fotosíntesis oxigénica, llevada a cabo por plantas, algas y cianobacterias, produce energía y oxígeno para la vida en la Tierra y es posiblemente el proceso biológico más importante. Las cianobacterias se encuentran entre los primeros fotótrofos que pueden realizar la fotosíntesis oxigénica y hacer contribuciones significativas a la atmósfera y la producción primaria de la Tierra.
Las reacciones fotosintéticas dependientes de la luz son realizadas por un conjunto de complejos fotosintéticos y moléculas acomodadas en las membranas celulares especializadas, llamadas membranas tilacoides. Si bien algunos estudios informaron sobre las estructuras de los complejos fotosintéticos y cómo realizan la fotosíntesis, los investigadores aún tenían poca comprensión sobre cómo se construyen y desarrollan las membranas tilacoides nativas para convertirse en una entidad funcional en las células de cianobacterias.
El equipo de investigación, dirigido por el profesor Luning Liu del Instituto de Sistemas, Biología Molecular e Integrativa de la Universidad, desarrolló un método para controlar la formación de membranas de tilacoides durante el crecimiento celular y utilizó proteómica e imágenes microscópicas de última generación para caracterizar el proceso de maduración gradual de las membranas tilacoides. Sus resultados se publican en la revista Nature Communications.
“Estamos realmente entusiasmados con los hallazgos”, dijo el profesor Liu. "Nuestra investigación dibuja una imagen sobre cómo los fotótrofos generan y luego desarrollan sus membranas fotosintéticas, y cómo los diferentes componentes fotosintéticos se incorporan y ubican en la membrana tilacoidal para realizar una fotosíntesis eficiente, una pregunta de larga data en este campo".
El primer autor del estudio, el Dr. Tuomas Huokko, dijo: “Encontramos que las membranas de tilacoides recién sintetizadas emergen entre la membrana celular periférica, denominada membrana plasmática, y la capa de tilacoides preexistente. Al detectar las composiciones de proteínas y las actividades fotosintéticas durante el proceso de desarrollo de los tilacoides, también encontramos que las proteínas fotosintéticas están bien controladas en el espacio y el tiempo para evolucionar y ensamblarse en las membranas de los tilacoides”.
La nueva investigación muestra que la membrana tilacoide de las cianobacterias es un sistema biológico verdaderamente dinámico y puede adaptarse rápidamente a los cambios ambientales durante el crecimiento bacteriano. En los tilacoides, las proteínas fotosintéticas pueden difundirse de una posición a otra y formar “islas de proteínas” funcionales para trabajar juntas para una alta eficiencia fotosintética.
"Dado que las cianobacterias realizan una fotosíntesis similar a la de las plantas, el conocimiento obtenido de las membranas de los tilacoides de las cianobacterias se puede extender a los tilacoides de las plantas", agregó el profesor Liu. “Comprender cómo se desarrolla y regula la maquinaria fotosintética natural en los fotótrofos es vital para ajustar y mejorar el rendimiento fotosintético. Esto ofrece soluciones para mejorar de manera sostenible la fotosíntesis y los rendimientos de las plantas de cultivo, en el contexto del cambio climático y el crecimiento de la población. Nuestra investigación también puede beneficiar el diseño bioinspirado y la generación de dispositivos fotosintéticos artificiales para la transferencia eficiente de electrones y la producción de bioenergía”.
Referencia: "Sondeo de la vía de biogénesis y la dinámica de las membranas tilacoides" por Tuomas Huokko, Tao Ni, Gregory F. Dykes, Deborah M. Simpson, Philip Brownridge, Fabian D. Conradi, Robert J. Beynon, Peter J. Nixon, Conrad W Mullineaux, Peijun Zhang y Lu-Ning Liu, 9 de junio de 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-23680-1
La investigación se llevó a cabo en colaboración con el Centro de Investigación del Proteoma, el Centro de Imágenes Celulares y la Unidad de Microscopía Electrónica Biomédica de la Universidad, así como con investigadores de la Universidad de Oxford, la Universidad Queen Mary de Londres y el Imperial College de Londres. La investigación fue financiada por BBSRC, Royal Society, Wellcome Trust y Leverhulme Trust.
