Investigadores liderados por un científico colombiano, descubren que las primeras bacterias tenían las herramientas necesarias para realizar un paso crucial de la fotosíntesis, cambiando la manera en que pensamos cómo la vida se originó en la Tierra.
El hallazgo también desafía perspectivas de cómo la vida puede surgir y evolucionar en otros planetas. Se cree que una de las razones por las cuales la vida compleja, como animales y plantas, se demoró miles de millones de años en evolucionar, es porque el origen de la fotosíntesis que produce oxígeno (oxigénica) también tardo muchísimo en ocurrir. Pero si en realidad ocurrió al principio de la vida, entonces es posibles que en otros planetas la transición a la vida multicelular compleja podría pasar más rápidamente.
El equipo de investigación del Imperial College London, liderado por el Dr. Tanai Cardona, rastreó el origen de las proteínas que son necesarias para la fotosíntesis hasta posiblemente el origen de la vida bacteriana. Sus resultados están publicados y son de libre acceso en BBA - Bioenergetics.
Dr. Cardona, del Departamento de Ciencias Biológicas de Imperial, dijo: "Anteriormente habíamos demostrado que el sistema biológico para realizar la producción de oxígeno, conocido como fotosistema II, era extremadamente antiguo, pero hasta ahora no habíamos podido rastrearlo hasta un punto específico de la historia de la vida.
"Ahora, sabemos que el fotosistema II muestra patrones de evolución que generalmente solo se atribuyen a las enzimas más antiguas que conocemos, que fueron cruciales para la evolución de la vida más temprana".
Producción temprana de oxígeno
La fotosíntesis puede presentarse en dos formas: una que produce oxígeno (oxigénica) y otra que no (anoxigénica). Por lo general, se asume que la forma productora de oxígeno evolucionó tardíamente y que surgió de la anoxigénica, particularmente en las cianobacterias hace unos 2.500 millones de años.
Si bien investigaciones han sugerido que focos de fotosíntesis oxigénica pueden haber existido antes de esto, todavía se consideraba una innovación que tardó en aparecer al menos mil millones de años después del origen de las primeras células en la Tierra. La nueva investigación encuentra que las enzimas capaces de realizar el proceso principal de la fotosíntesis oxigénica--romper el agua en hidrógeno y oxígeno--podrían haber estado presente en las primeras bacterias. La evidencia más antigua de bacterias tiene más de 3.400 millones de años y algunos estudios han sugerido que la vida más temprana podría tener más de 4.000 millones de años.
Como la evolución del ojo, la primera versión de la fotosíntesis oxigénica pudo haber sido muy simple; igualmente que los primeros ojos solo podían percibir la luz sin formar imágenes, la fotosíntesis más temprana pudo haber sido muy ineficaz y lenta. Las bacterias tardaron más de mil millones de años en perfeccionar el proceso que condujo a la evolución de las cianobacterias ya capaces de una fotosíntesis oxigénica muy avanzada, y dos mil millones de años más para que los animales y las plantas conquistaran la tierra. Sin embargo, el hecho de que la producción de oxígeno ocurriera tan tempranamente significa que, en otros entornos, como en otros planetas, la transición a una vida compleja podría haber llevado mucho menos tiempo.
Relojes moleculares
El equipo hizo su descubrimiento con la ayuda de "los relojes moleculares" de las proteínas de la fotosíntesis responsables del rompimiento del agua. Este método estima la tasa de cambio de las proteínas observando el tiempo entre eventos conocidos, como la evolución de diferentes grupos de cianobacterias o plantas terrestres, que en la actualidad portan una versión de estas proteínas. La tasa de evolución calculada se extiende luego hacia atrás en el tiempo, para ver cuándo aparecen las proteínas por primera vez.
Los investigadores, en colaboración con otra científica colombiana en la Universidad de Bristol, Dr. Patricia Sánchez Baracaldo, compararon la tasa de evolución del fotosistema II con la de otras proteínas esenciales para el origen de la vida, como las polimerasas que traducen secuencias de ADN a ARN, o los ribosomas encargadas de decodificar el ARN para producir proteínas. También compararon la tasa con eventos relativamente más recientes, cuando la vida ya era muy diversa y las cianobacterias ya habían evolucionado.
Las proteínas de la fotosíntesis mostraron patrones de evolución casi idénticos a los de las enzimas más antiguas, que se remontan al origen de la vida, lo que sugiere que evolucionaron de manera similar.
El primer autor del estudio, Thomas Oliver, del Departamento de Ciencias Biológicas en Imperial, dijo: "Usamos una técnica llamada Reconstrucción de Secuencia Ancestral para predecir las secuencias de proteínas de las proteínas fotosintéticas ancestrales.
"Estas secuencias nos dan información sobre cómo habría funcionado el fotosistema II ancestral y pudimos demostrar que muchos de los componentes necesarios para el rompimiento de agua y la liberación de oxígeno se remontan a las primeras etapas de la evolución de la enzima".
Dirigiendo la evolución
Saber cómo evolucionan estas proteínas de la fotosíntesis no solo es importante para entender el origen y la evolución de la vida aquí y en otros planetas, sino que también podría ayudarnos a encontrar estrategias para utilizar la fotosíntesis de nuevas formas a través de la biología sintética. Dr. Cardona, quien lidera el proyecto como parte del UKRI Future Leaders Fellowship, dijo: "Ya tenemos una visión muy detallada de cómo evolucionan las proteínas de la fotosíntesis, adaptándose a un mundo cambiante.
Ahora podemos usar la 'evolución dirigida' para aprender a cambiar los fotosistemas de modo que tengan propiedades que sean útiles para solucionar algunos de los retos de sostenibilidad del mundo actual. "Podríamos desarrollar fotosistemas que puedan llevar a cabo nuevas reacciones químicas complejas y limpias usando solo la luz como forma de energía".
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