I microbi hanno ottenuto i superpoteri della fotosintesi da una "pompa protonica" | Rivista Quanta

Una fitta foresta pluviale o altra verdeggiante vegetazione terrestre può essere la prima cosa che viene in mente quando si parla di fotosintesi. Eppure le nuvole di fitoplancton che riempiono gli oceani sono i principali motori di questo processo in natura. I microbi acquatici unicellulari simili a piante generano oltre il 50% dell'ossigeno nell'atmosfera e assorbono quasi la metà dell'anidride carbonica, convertendola in glucosio, grassi, proteine ​​e altre molecole organiche che nutrono la rete alimentare degli oceani .

A studio pubblicato di recente in Current Biology finalmente individua la fonte di questa impareggiabile efficienza fotosintetica, che ha a lungo sconcertato gli scienziati. La nuova ricerca ha scoperto che alcuni fitoplancton sono dotati di una membrana interna extra che trasporta un enzima "pompa protonica" che potenzia la loro capacità di convertire l'anidride carbonica in altre sostanze. I miglioramenti dovuti a questa modifica proteica sembrano contribuire alla produzione di quasi il 12% dell'ossigeno nell'aria e fino al 25% di tutto il carbonio "fissato" (imprigionato nei composti organici) nell'oceano.

Sorprendentemente, quell'innovazione fotosintetica sembra essersi evoluta per caso da una proteina di membrana originariamente utilizzata per la digestione nell'antenato del fitoplancton. Oltre a spiegare l'abilità delle cellule nella fotosintesi, il nuovo lavoro aiuta a confermare la teoria secondo cui quel fitoplancton è nato attraverso un'alleanza simbiotica tra un protozoo e un'alga verde resiliente.

"Trovo sbalorditivo che un enzima protonico che conosciamo da così tanti decenni sia responsabile del mantenimento di un fenomeno così cruciale sulla Terra", ha detto Dennis Brown, un biologo cellulare della Harvard Medical School che studia le funzioni delle proteine ​​di membrana e non è stato coinvolto nello studio.

I ricercatori sapevano che alcune classi di fitoplancton - diatomee, dinoflagellati e coccolitofori - si distinguono per le loro eccezionali capacità fotosintetiche. Quelle cellule sono estremamente abili nell'assorbire l'anidride carbonica dal loro ambiente e indirizzarla ai loro cloroplasti per la fotosintesi, ma i dettagli del motivo per cui sono così bravi non sono stati molto chiari. Una caratteristica unica di questi tre gruppi di fitoplancton, tuttavia, è che hanno una membrana extra attorno ai loro cloroplasti.

Sette anni fa, il microbiologo Daniele Sì, l'autore principale del nuovo studio, stava studiando le diatomee per il suo dottorato presso la Scripps Institution of Oceanography dell'Università della California, a San Diego. La fotosintesi non era il suo obiettivo; ha cercato di capire come le diatomee regolano la loro acidità interna per aiutare con l'immagazzinamento dei nutrienti e per costruire la loro dura parete cellulare di silice. Ma continuava a notare l'unica membrana aggiuntiva attorno ai loro cloroplasti.

Apprese che la membrana extra era ampiamente considerata dai ricercatori come un residuo di un antico atto di digestione fallito. Gli scienziati hanno ipotizzato che circa 200 milioni di anni fa, un protozoo predatore abbia cercato di banchettare con un'alga fotosintetica unicellulare. Ha avvolto l'alga resiliente in una struttura a membrana chiamata vacuolo alimentare per digerirla, ma per ragioni sconosciute la digestione non è avvenuta. Invece, l'alga è sopravvissuta ed è diventata un partner simbiotico del protozoo, nutrendolo con i frutti della sua fotosintesi. Questa partnership si è approfondita nel corso delle generazioni fino a quando il nuovo organismo due in uno si è evoluto nelle diatomee che conosciamo oggi. Ma lo strato extra di membrana che era stato un vacuolo alimentare non è mai scomparso.

Alla fine degli 1990, alcuni scienziati hanno ipotizzato che l'ex vacuolo alimentare era ancora in grado di trasportare una proteina del canale transmembrana chiamata pompa protonica. Le pompe protoniche sono molecole altamente versatili che possono essere specializzate per diversi compiti negli organismi, dalla digestione alla regolazione dell'acidità del sangue per aiutare i neuroni a inviare segnali, ha spiegato il microbiologo Martin Tresguerres, il coautore senior del nuovo studio ed ex consigliere di Yee presso l'UCSD. Nei mammiferi, un tipo di pompa protonica può creare condizioni acide altamente corrosive all'interno delle aree delle ossa per abbattere la loro struttura mineralizzata e dissolverle nel tempo.

Yee ha scoperto che la stessa pompa protonica aiuta anche le diatomee a creare il loro duro guscio di silice. Ma considerando la versatilità della pompa protonica e la sua associazione diretta con il cloroplasto, era convinto che facesse ancora di più.

Utilizzando una combinazione di tecniche di biologia molecolare, Yee e il suo team hanno confermato che la membrana extra attorno al fitoplancton cloroplasto contiene una pompa protonica attiva e funzionale, una chiamata VHA che spesso svolge un ruolo digestivo nei vacuoli alimentari. Hanno persino fuso la pompa protonica con una proteina fluorescente in modo da poterla vedere funzionare in tempo reale. Le loro osservazioni hanno supportato la teoria endosimbiotica di come le diatomee hanno acquisito la membrana extra attorno ai loro cloroplasti.

Yee, Tresguerres ei loro colleghi erano anche curiosi di sapere come la pompa protonica potesse influenzare l'attività fotosintetica del cloroplasto. Per scoprirlo, hanno usato un farmaco inibitorio, la concanamicina A, per fermare il funzionamento della pompa protonica mentre monitoravano quanto il fitoplancton continuava ad incorporare carbonio nei carbonati e produrre ossigeno. Hanno scoperto che l'inibizione della pompa protonica ha ridotto significativamente sia la fissazione del carbonio che la produzione di ossigeno nelle cellule.

Un ulteriore lavoro li ha aiutati a capire che la pompa migliorava la fotosintesi concentrando il carbonio vicino ai cloroplasti. La pompa ha trasferito i protoni dal citoplasma al compartimento tra la membrana extra e il cloroplasto. L'aumento dell'acidità nel compartimento ha causato la diffusione di più carbonio (sotto forma di ioni bicarbonato) nel compartimento per neutralizzarlo. Gli enzimi hanno riconvertito il bicarbonato in anidride carbonica, che era quindi convenientemente vicino agli enzimi di fissazione del carbonio del cloroplasto.

Utilizzando le statistiche sulla distribuzione delle diatomee e di altro fitoplancton con la membrana extra in tutto l'oceano globale, i ricercatori hanno estrapolato che questo aumento di efficienza della proteina di membrana VHA rappresenta quasi il 12% dell'ossigeno atmosferico terrestre. Contribuisce inoltre tra il 7% e il 25% di tutto il carbonio oceanico fissato ogni anno. Sono almeno 3.5 miliardi di tonnellate di carbonio, quasi quattro volte tanto quanto l'industria aeronautica globale emette ogni anno. Nella fascia alta della stima dei ricercatori, il VHA potrebbe essere responsabile di legare fino a 13.5 miliardi di tonnellate di carbonio all'anno.

Gli scienziati possono ora aggiungere questo fattore ad altre considerazioni quando stimano gli effetti del cambiamento climatico sulla velocità con cui l'anidride carbonica atmosferica viene fissata nelle molecole organiche, il che determina la velocità con cui il pianeta continuerà a riscaldarsi. Riguarda anche le discussioni sul fatto che i cambiamenti nell'acidità degli oceani avranno un impatto diretto sui tassi di fissazione del carbonio e sulla produzione di ossigeno. Yee ha affermato che gli scienziati possono anche iniziare a chiedersi se le soluzioni biotecnologiche basate sul meccanismo appena scoperto potrebbero migliorare il processo di sequestro del carbonio per limitare il cambiamento climatico.

Sì, chi è adesso un borsista post dottorato presso il Laboratorio di fisiologia cellulare e vegetale del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica a Grenoble, è orgoglioso che il suo team sia stato in grado di fornire un nuovo meccanismo per il modo in cui la fotosintesi avviene in una forma di vita così importante dal punto di vista ecologico.

"Ma ci rendiamo anche conto", ha detto, "che più impariamo, meno sappiamo".