micróbios ganharam superpotências de fotossíntese de uma 'bomba de prótons' | Revista Quanta

Uma densa floresta tropical ou outra vegetação terrestre verdejante pode ser o que primeiro vem à mente quando se fala em fotossíntese. No entanto, as nuvens de fitoplâncton que enchem os oceanos são os principais impulsionadores desse processo na natureza. Os micróbios aquáticos unicelulares semelhantes a plantas geram mais de 50% do oxigênio na atmosfera e absorvem quase metade do dióxido de carbono, convertendo-o em glicose, gorduras, proteínas e outras moléculas orgânicas que nutrem a cadeia alimentar dos oceanos. .

A estudo recentemente publicado in Current Biology finalmente identifica a fonte dessa eficiência fotossintética incomparável, que há muito tempo confunde os cientistas. A nova pesquisa descobriu que alguns fitoplânctons são equipados com uma membrana interna extra que carrega uma enzima “bomba de prótons” que sobrecarrega sua capacidade de converter dióxido de carbono em outras substâncias. As melhorias devido a essa modificação de uma proteína parecem contribuir para a produção de quase 12% do oxigênio no ar e até 25% de todo o carbono “fixado” (bloqueado em compostos orgânicos) no oceano.

Surpreendentemente, essa inovação fotossintética parece ter evoluído por acaso a partir de uma proteína de membrana originalmente usada para digestão no ancestral do fitoplâncton. Além de explicar a proeza das células na fotossíntese, o novo trabalho ajuda a confirmar a teoria de que esse fitoplâncton surgiu por meio de uma aliança simbiótica entre um protozoário e uma alga verde resiliente.

“Acho impressionante que uma enzima de prótons que conhecemos há tantas décadas seja responsável por manter um fenômeno tão crucial na Terra”, disse Dennis Brown, um biólogo celular da Harvard Medical School que estuda as funções das proteínas da membrana e não esteve envolvido no estudo.

Os pesquisadores sabiam que certas classes de fitoplâncton – diatomáceas, dinoflagelados e cocolitóforos – se destacam por suas habilidades fotossintéticas excepcionais. Essas células são extremamente proficientes em absorver dióxido de carbono de seu ambiente e direcioná-lo para seus cloroplastos para a fotossíntese, mas os detalhes de por que eles são tão bons nisso não foram muito claros. Uma característica exclusiva desses três grupos de fitoplâncton, no entanto, é que eles têm uma membrana extra em torno de seus cloroplastos.

Há sete anos, o microbiologista Daniel Ye, o principal autor do novo estudo, estava estudando diatomáceas para seu doutorado no Scripps Institution of Oceanography da Universidade da Califórnia, em San Diego. A fotossíntese não era seu foco; ele procurou entender como as diatomáceas regulam sua acidez interna para ajudar no armazenamento de nutrientes e para construir sua resistente parede celular de sílica. Mas ele continuou observando a membrana adicional única em torno de seus cloroplastos.

Ele descobriu que a membrana extra era amplamente considerada pelos pesquisadores como um remanescente de um antigo ato falho de digestão. Os cientistas levantaram a hipótese de que cerca de 200 milhões de anos atrás, um protozoário predador tentou se alimentar de uma alga fotossintética unicelular. Ele envolveu a alga resiliente em uma estrutura de membrana chamada vacúolo alimentar para digeri-la, mas por razões desconhecidas, a digestão não ocorreu. Em vez disso, a alga sobreviveu e tornou-se um parceiro simbiótico do protozoário, alimentando-o com os frutos de sua fotossíntese. Essa parceria se aprofundou ao longo das gerações até que o novo organismo dois em um evoluiu para as diatomáceas que conhecemos hoje. Mas a camada extra de membrana que tinha sido um vacúolo alimentar nunca desapareceu.

No final dos 1990s, alguns cientistas levantaram a hipótese que o antigo vacúolo alimentar ainda carregava uma proteína de canal transmembrana chamada bomba de prótons. As bombas de prótons são moléculas altamente versáteis que podem ser especializadas para diversas tarefas nos organismos, desde a digestão até a regulação da acidez do sangue para ajudar os neurônios a enviar sinais, explicou o microbiologista Martin Tresguerres, o co-autor sênior do novo estudo e ex-conselheiro de Yee na UCSD. Nos mamíferos, um tipo de bomba de prótons pode criar condições ácidas altamente corrosivas dentro de áreas dos ossos para quebrar sua estrutura mineralizada e dissolvê-los ao longo do tempo.

Yee descobriu que a mesma bomba de prótons também ajuda as diatomáceas a fabricar sua dura casca de sílica. Mas considerando a versatilidade da bomba de prótons e sua associação direta com o cloroplasto, ele estava convencido de que ela fazia ainda mais.

Usando uma combinação de técnicas de biologia molecular, Yee e sua equipe confirmaram que a membrana extra ao redor do cloroplasto do fitoplâncton contém uma bomba de prótons ativa e funcional – chamada VHA, que geralmente desempenha um papel digestivo nos vacúolos alimentares. Eles até fundiram a bomba de prótons a uma proteína fluorescente para que pudessem vê-la funcionar em tempo real. Suas observações apoiaram a teoria endossimbiótica de como as diatomáceas adquiriram a membrana extra ao redor de seus cloroplastos.

Sim, Tresguerres e seus colegas também estavam curiosos sobre como a bomba de prótons pode afetar a atividade fotossintética do cloroplasto. Para descobrir, eles usaram uma droga inibidora, a concanamicina A, para interromper o funcionamento da bomba de prótons enquanto monitoravam o quanto o fitoplâncton continuava incorporando carbono aos carbonatos e produzindo oxigênio. Eles descobriram que a inibição da bomba de prótons diminuiu significativamente tanto a fixação de carbono quanto a produção de oxigênio nas células.

Trabalhos posteriores os ajudaram a entender que a bomba aumentava a fotossíntese ao concentrar o carbono perto dos cloroplastos. A bomba transferia prótons do citoplasma para o compartimento entre a membrana extra e o cloroplasto. O aumento da acidez no compartimento fez com que mais carbono (na forma de íons de bicarbonato) se difundisse no compartimento para neutralizá-lo. As enzimas converteram o bicarbonato de volta em dióxido de carbono, que estava então convenientemente próximo às enzimas fixadoras de carbono do cloroplasto.

Usando estatísticas sobre a distribuição das diatomáceas e outro fitoplâncton com a membrana extra em todo o oceano global, os pesquisadores extrapolaram que esse aumento na eficiência da proteína da membrana VHA é responsável por quase 12% do oxigênio atmosférico da Terra. Também contribui entre 7% e 25% de todo o carbono oceânico fixado a cada ano. São pelo menos 3.5 bilhões de toneladas de carbono – quase quatro vezes mais do que a indústria global de aviação emite anualmente. No limite superior da estimativa dos pesquisadores, o VHA poderia ser responsável por capturar até 13.5 bilhões de toneladas de carbono por ano.

Os cientistas agora podem adicionar esse fator a outras considerações ao estimar os efeitos das mudanças climáticas sobre a rapidez com que o dióxido de carbono atmosférico é fixado em moléculas orgânicas, o que determina a rapidez com que o planeta continuará a aquecer. Também se refere a discussões sobre se as mudanças na acidez do oceano terão um impacto direto nas taxas de fixação de carbono e produção de oxigênio. Yee disse que os cientistas também podem começar a perguntar se as soluções biotecnológicas baseadas no mecanismo recém-descoberto poderiam melhorar o processo de sequestro de carbono para limitar a mudança climática.

Sim, quem é agora um pós-doutorando no Laboratório de Fisiologia Celular e Vegetal do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica em Grenoble, orgulha-se de que sua equipe foi capaz de fornecer um novo mecanismo de como a fotossíntese ocorre em uma forma de vida ecologicamente importante.

“Mas também percebemos”, disse ele, “que quanto mais aprendemos, menos sabemos”.