Las bacterias, entre los seres vivos más simples y pequeños, nunca deberían considerarse primitivas. Poseen un código genético, una membrana y un metabolismo —los tres elementos esenciales para la vida independiente—, y no solo en forma simbólica, sino en instancias altamente productivas y robustas. Prosperan en casi cualquier entorno. Las más abundantes, las cianobacterias, realizan la magia de la fotosíntesis, proporcionando oxígeno al mundo y formando la base de la cadena alimentaria.

Los humanos tenemos una relación mixta con las cianobacterias. Las necesitamos, pero algunas causan daño. El Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) informa sobre cianobacterias que a veces proliferan en grandes cantidades, produciendo potentes cianotoxinas que matan a peces, ganado e incluso a personas (consulte la página de preguntas frecuentes de los CDC sobre las proliferaciones de cianotoxinas). Anteriormente llamadas algas verdeazuladas, las cianobacterias ahora se clasifican como bacterias, no algas, porque son procariotas, no eucariotas como las algas verdaderas. Algunas viven en colonias o hebras con cierta diferenciación de funciones; Muchas otras viven de forma independiente como autótrofos, organismos que producen su propio alimento. Viven en agua dulce, suelo y agua salada. Prochlorococcus, que habita en el océano, podría ser la especie de vida más abundante en la Tierra. Produce alrededor del 20 % del oxígeno que respiramos.

Otra función importante de las cianobacterias es la fijación de nitrógeno. Un artículo de revisión en Frontiers in Microbiology las denomina «Un valioso biorrecurso en la agricultura, los ecosistemas y la sostenibilidad ambiental». Pueden romper los resistentes triples enlaces de las moléculas de N₂ a temperatura ambiente con una enzima llamada nitrogenasa. A los ingenieros agrícolas les encantaría aprender este truco, pero hasta ahora no lo han logrado. Las cianobacterias también son importantes para el secuestro de carbono en los debates sobre la mitigación del cambio climático. Otras viven en costras bióticas que forman la base de los ecosistemas en desiertos (véase «Diseño inteligente en la tierra») y otros entornos hostiles como las paredes de acantilados expuestas al sol («Murales vivientes: Arte mural creado por bacterias fotosintéticas»). Los pocos que causan daño, por lo tanto, son más que compensados ​​por la gran mayoría que hace bien a nuestro planeta.

Control de motores impulsados ​​por luz

Seamos realistas: ¡nada que funcione con ATP sintasa es primitivo! Este motor rotatorio molecular clave, que alcanza velocidades de hasta 6000 RPM, es una de las máquinas más eficientes conocidas, tanto dentro como fuera de la vida. La energía de la luz solar impulsa las máquinas que se encuentran aguas arriba de la ATP sintasa y que transportan protones a través de un canal de membrana para hacer girar el motor. Los detalles de este incomparable motor a escala nanométrica se han analizado en detalle en otras publicaciones y no es necesario revisarlos aquí. Basta decir que la ATP sintasa en bacterias, la forma de vida más pequeña y primitiva, plantea un serio desafío a las teorías naturalistas sobre el origen de la vida. ¿Cómo podría una forma de vida sobrevivir sin este sistema irreduciblemente complejo?

Ahora, los científicos han descubierto que la máquina en una especie modelo de cianobacteria posee un mecanismo regulador único para evitar el desperdicio de ATP durante la noche, cuando la maquinaria fotosintética no puede funcionar. Robert L. Burnap, de la Universidad Estatal de Oklahoma, escribe en Current Biology:

Dado que las cadenas de transporte de electrones fotosintéticas y respiratorias de las cianobacterias se encuentran en la misma membrana bioenergética, es necesaria la regulación de la ATP sintasa F1FO compartida para evitar el desperdicio de ATP en ciclos inútiles. Se ha demostrado que la proteína reguladora Atp-theta, recientemente descubierta y ampliamente distribuida en las cianobacterias, cumple dicha función. [Énfasis añadido].

Esto resuelve un problema único para las cianobacterias. A diferencia de las plantas superiores, las cianobacterias utilizan sus rotores de ATP sintasa tanto en la fotosíntesis como en la respiración. Sin embargo, la ATP sintasa es un motor reversible. Si la fuerza protón-motriz (FPM) disminuye, la termodinámica favorece la hidrólisis del ATP de vuelta a protones, como una rueda hidráulica que invierte su dirección. En la oscuridad, los mecanismos que se encuentran aguas arriba no pueden mantener una FPM adecuada. Sin regulación, esto podría provocar una pérdida catastrófica de ATP durante la noche.

De hecho, las cianobacterias poseen un verdadero reloj circadiano y lo utilizan para asignar recursos al despliegue de nueva maquinaria fotosintética justo antes del amanecer, lo que demuestra que la ATP sintasa permanece activa hasta bien entrada la noche, aunque a tasas más bajas que se corresponden con los menores flujos metabólicos nocturnos. Por lo tanto, la regulación de la ATP sintasa F1FO en las cianobacterias presenta desafíos regulatorios únicos que han resistido la comprensión.

Burnap relata un descubrimiento de Song et al., quienes esperaban que una «proteína hipotética» pudiera actuar como regulador. Había pasado desapercibida debido a su pequeña masa (8 kDa), pero finalmente la encontraron. Llamada Atp-theta, se regula positivamente por el reloj circadiano en la oscuridad y se regula negativamente con las primeras luces del amanecer. Esta molécula se une al «cigüeñal» (subunidad gamma) del motor, impidiendo su inversión de dirección en modo de baja potencia. Burnap especula que este regulador podría funcionar como un trinquete, junto con otras moléculas reguladoras, para asegurar la «inhibición transitoria de la hidrólisis derrochadora de ATP durante la transición de luz a oscuridad» en estas diminutas fábricas vivientes. Sin embargo, admite que este nuevo descubrimiento plantea preguntas adicionales. Probablemente resultará ser más sofisticado que lo que se muestra en su diagrama de modelo simplificado.

Más luz sobre la fotosíntesis de las cianobacterias

Otro artículo dilucidó el mecanismo de captación de luz denominado Fotosistema II (PSII) en una cianobacteria modelo. En un artículo publicado en PNAS, Gisriel et al. utilizaron la técnica de superresolución de la criomicroscopía electrónica para descubrir la estructura del PSII con una resolución inferior a 2 ángstroms: ¡es decir, 2 diezmilmillonésimas de metro!

El fotosistema II (PSII) es una fotooxidorreductasa que aprovecha la energía luminosa para usar agua en la producción de combustible. La oxidación del agua ocurre en un grupo metálico en el sitio activo, llamado complejo generador de oxígeno (OEC). La comprensión de la función del PSII ha proporcionado principios de diseño para catalizadores sintéticos de combustibles solares; sin embargo, los detalles de la oxidación del agua se ven oscurecidos por los múltiples estados a través de los cuales se desarrolla el mecanismo, las diferencias entre especies y la labilidad del OEC. Para comprender mejor la función del PSII, calculamos su estructura a partir de Synechocystis sp. PCC 6803. Observamos diferencias significativas en comparación con el PSII de cianobacterias termófilas, lo que resalta la necesidad de reexaminar los datos previos que utilizan esta estructura para su interpretación.

En comparación con las cianobacterias termófilas, la estructura del OEC en esta especie mesófila, fácilmente cultivable en el laboratorio, presenta características únicas. Curiosamente, se habla de una «rueda hidráulica» como parte del mecanismo de acción. (Aprenda cómo los «hilos hidráulicos» participan en los procesos enzimáticos a escala molecular en este artículo anterior).

El mecanismo propuesto involucraba residuos cerca de la rueda hidráulica en el canal grande… y fue corroborado por similitudes en la activación del sustrato de la acetilcolinesterasa. En parte, involucraba cambios conformacionales en residuos aromáticos. Es posible que la cadena lateral PsbV-Tyr159 experimente un cambio conformacional en la activación del canal grande. Futuras simulaciones de dinámica molecular podrían permitir una mayor comprensión de esta posibilidad. Si existe un mecanismo de activación en Synechocystis 6803 PSII que involucra a PsbV, actualmente no está claro si se observan mecanismos similares en otras cianobacterias debido a la baja identidad de secuencia entre PsbV de diferentes especies (Apéndice SI, Tabla S8). En cualquier caso, las diferencias observadas entre las estructuras de PSII de cianobacterias mesófilas y termófilas sugieren diferencias en la salida de protones y/o el suministro de agua del sustrato entre organismos. Sin embargo, la tasa de evolución de oxígeno con saturación de luz por PSII parece comparable entre cianobacterias mesófilas y termófilas….

Estas observaciones son desafiantes no solo por el diminuto tamaño de las piezas, sino también por la naturaleza dinámica de la estructura y los desafíos que presenta el modelado de átomos de OEC. Algunas de las diferencias podrían deberse a los procedimientos de laboratorio o al estado de las moléculas al congelarse instantáneamente para crio-EM. También es posible que las altas temperaturas en los hábitats de las cianobacterias termófilas impongan requisitos de diseño adicionales para sus equipos. Sin embargo, observar con tanta atención la maquinaria molecular que funciona con exquisita precisión para producir combustible a partir de la luz y el agua es un logro significativo. Esperamos con ansias nuevos atisbos de nanotecnología en desarrollo en organismos primitivos.

Los estanques pequeños y cálidos no necesitan postularse

¡Consideren la distancia entre los modelos propuestos sobre el origen de la vida y esto! ¿Pueden las burbujas lipídicas que capturan nucleótidos aleatorios al azar manejar este nivel de sofisticación? ¿Sin código genético; sin metabolismo; sin redes reguladoras? Dondequiera que busquen, los bioquímicos encuentran, en las células más «simples», fábricas de máquinas moleculares, controladas por código digital, que funcionan extremadamente bien y pueden reproducirse. Ningún modelo sobre el origen de la vida se acerca.

Es significativo que la mención predominante de la «evolución» en el artículo de PNAS no se refiera al darwinismo, sino al «complejo generador de oxígeno» en el PSII, como una máquina compleja que emite («evoluciona») oxígeno. Hay un tributo pasajero a la evolución: «comprender su función enzimática es relevante para diversos campos, como la fotocatálisis sintética, la optimización de cultivos, la producción de biocombustibles y la biología evolutiva». Las tres palabras finales podrían eliminarse sin perjuicio científico. El solo uso de la palabra por parte de Belnap en su artículo de Current Biology es igualmente censurable: «No es sorprendente que diversos mecanismos hayan evolucionado en diferentes especies para regular la actividad de la ATP sintasa F1FO».

Como es habitual, cuanto más se ahonda en los detalles, menos tienden a hablar los autores de la evolución darwiniana.

Artículo publicado originalmente en inglés por Science & Culture

Crédito de la imagen destacada: Prochlorococcus, which lives in the ocean, may be the most abundant species of life on earth, via Wikimedia Commons.