La fotosíntesis puede ser tan antigua como la vida misma

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Los investigadores descubren que las primeras bacterias tenían las herramientas para realizar un paso crucial en la fotosíntesis, cambiando la forma en que pensamos que la vida evolucionó en la Tierra.

El descubrimiento también desafía las expectativas de cómo la vida pudo haber evolucionado en otros planetas. Se cree que la evolución de la fotosíntesis productora de oxígeno es el factor clave en la eventual aparición de vida compleja. Se pensaba que la evolución tardaría varios miles de millones de años, pero si de hecho la vida más vieja podía hacerlo, entonces otros planetas podrían haber desarrollado una vida compleja mucho antes de lo que se pensaba.

El equipo de investigación, dirigido por científicos del Imperial College de Londres, ha rastreado la evolución de las proteínas clave necesarias para la fotosíntesis hasta el posible origen de la vida bacteriana en la Tierra. Sus resultados se publican y son de libre acceso en BBA – Bioenergética.

El investigador principal, el Dr. Tanai Cardona, del Departamento de Ciencias de la Vida de Imperial, dijo: «Anteriormente demostramos que el sistema biológico para llevar a cabo la producción de oxígeno, conocido como Fotosistema II, era extremadamente antiguo, pero hasta ahora no lo ha sido. Pudimos colóquelo en la línea de tiempo de la historia de la vida. Ahora, sabemos que el Fotosistema II muestra patrones de evolución que generalmente se atribuyen solo a las enzimas más antiguas conocidas, que fueron cruciales para la evolución de la vida misma «.

La fotosíntesis, que convierte la luz solar en energía, puede presentarse en dos formas: una que produce oxígeno y la otra que no. Por lo general, se asume que la forma productora de oxígeno evolucionó más tarde, particularmente con la aparición de cianobacterias, o algas verdiazules, hace unos 2.500 millones de años.

Si bien algunas investigaciones han sugerido que pueden haber existido bolsas de fotosíntesis que producen oxígeno (oxigenadas) antes de esto, todavía se consideraba una innovación que tardó al menos un par de miles de millones de años en evolucionar en la Tierra.

La nueva investigación encuentra que las enzimas capaces de llevar a cabo el proceso clave en la fotosíntesis oxigenada (descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno) pueden haber estado presentes en algunas de las primeras bacterias. La evidencia más antigua de vida en la Tierra se remonta a más de 3.400 millones de años, y algunos estudios han sugerido que la vida temprana puede tener más de 4.000 millones de años.

Como la evolución del ojo, la primera versión de la fotosíntesis oxigenada puede haber sido muy simple e ineficaz; dado que los primeros ojos solo percibían la luz, la primera fotosíntesis puede haber sido muy ineficiente y lenta.

En la Tierra, las bacterias tardaron más de mil millones de años en perfeccionar el proceso que conduce a la evolución de las cianobacterias y otros dos mil millones de años para que los animales y las plantas conquistaran la tierra. Sin embargo, el hecho de que la producción de oxígeno estuviera presente tan temprano significa que en otros entornos, como en otros planetas, la transición a una vida compleja podría haber llevado mucho menos tiempo.

El equipo hizo el descubrimiento siguiendo el «reloj molecular» de las proteínas fotosintéticas clave responsables de la división del agua. Este método estima la tasa de evolución de las proteínas observando el tiempo entre momentos evolutivos conocidos, como la aparición de diferentes grupos de cianobacterias o plantas terrestres, que hoy portan una versión de estas proteínas. La tasa de evolución calculada luego se extiende hacia atrás en el tiempo para ver cuándo evolucionaron las proteínas por primera vez.

Compararon la tasa de evolución de estas proteínas de fotosíntesis con la de otras proteínas clave en la evolución de la vida, incluidas las que forman moléculas de almacenamiento de energía en el cuerpo y las que traducen secuencias de ADN en ARN, que se cree que se originaron antes de la antepasado de toda la vida celular en la Tierra. También compararon la tasa con eventos que se sabía que habían ocurrido más recientemente, cuando la vida ya había variado y habían aparecido cianobacterias.

Las proteínas de la fotosíntesis han mostrado patrones de evolución casi idénticos a los de las enzimas más antiguas, retrocediendo en el tiempo, lo que sugiere que evolucionaron de manera similar.

El primer autor del estudio, Thomas Oliver, del Departamento Imperial de Ciencias de la Vida, dijo: «Usamos una técnica llamada Reconstrucción de Secuencia Ancestral para predecir las secuencias de proteínas de proteínas fotosintéticas ancestrales. Estas secuencias nos brindan una idea de cómo el Fotosistema II Ancestral han funcionado y pudimos demostrar que muchos de los componentes clave necesarios para la evolución del oxígeno en el Fotosistema II se remontan a las primeras etapas de la evolución de las enzimas «.

Saber cómo evolucionan estas proteínas fotosintéticas clave no solo es relevante para la búsqueda de vida en otros planetas, sino que también podría ayudar a los investigadores a encontrar estrategias para usar la fotosíntesis de nuevas formas a través de la biología sintética.

El Dr. Cardona, quien lidera un proyecto como parte de su Beca de Líderes Futuros de UKRI, dijo: «Ahora tenemos una buena idea de cómo evolucionan las proteínas de la fotosíntesis, adaptándose a un mundo cambiante, podemos usar la» evolución directa «para aprenda cómo cambiarlos para producir nuevos tipos de química. Podríamos desarrollar fotosistemas capaces de realizar nuevas reacciones químicas complejas, ecológicas y sostenibles, totalmente alimentadas por la luz «.

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