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La fotosíntesis podría ser tan antigua como la vida misma

Investigadores encuentran que las primeras bacterias tenían las herramientas para realizar un paso crucial en la fotosíntesis, cambiando la forma en que pensamos como evolucionó la vida en la Tierra.

Cianobacterias en la superficie del agua.

El hallazgo también desafía las expectativas sobre cómo podría haber evolucionado la vida en otros planetas. Se cree que la evolución de la fotosíntesis que produce oxígeno es el factor clave en la aparición de vida compleja. Se pensaba que esto tardaría varios miles de millones de años en evolucionar, pero si de hecho la vida más temprana pudo hacerlo, entonces otros planetas pueden haber desarrollado una vida compleja mucho antes de lo que se pensaba.


El equipo de investigación, dirigido por científicos del Imperial College de Londres, rastreó la evolución de las proteínas clave necesarias para la fotosíntesis hasta posiblemente el origen de la vida bacteriana en la Tierra. Sus resultados están publicados y son de libre acceso en BBA - Bioenergetics.


El investigador principal, el Dr. Tanai Cardona, del Departamento de Ciencias de la Vida del Colegio Imperial, dijo: “Anteriormente habíamos demostrado que el sistema biológico para la producción de oxígeno, conocido como Fotosistema II, era extremadamente antiguo, pero hasta ahora no habíamos sido capaz de colocarlo en la línea de tiempo 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 conocidas, que fueron cruciales para la evolución de la vida".


Producción temprana de oxígeno


La fotosíntesis, que convierte la luz solar en energía, puede presentarse en dos formas: una que produce oxígeno y otra que no. Por lo general, se supone 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 los focos de fotosíntesis productora de oxígeno (oxigenada) pueden haber existido 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 realizar el proceso clave en la fotosíntesis oxigenada (dividir el agua en hidrógeno y oxígeno) podrían haber estado presentes en algunas de las primeras bacterias. La evidencia más temprana de vida en la Tierra 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 oxigenada puede haber sido muy simple e ineficaz; dado que los primeros ojos solo percibían la luz, la fotosíntesis más temprana pudo haber sido muy ineficaz y lenta.


En la Tierra, las bacterias tardaron más de mil millones de años en perfeccionar el proceso que condujo a la evolución de las cianobacterias, 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 estuviera presente tan pronto significa que en otros entornos, como en otros planetas, la transición a una vida compleja podría haber llevado mucho menos tiempo.


Medición de relojes moleculares


El equipo hizo su descubrimiento rastreando el 'reloj molecular' de las proteínas en la fotosíntesis responsables de la división del agua. Este método estima la tasa de evolución de las proteínas observando el tiempo entre los momentos evolutivos conocidos, como la aparición 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 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 originó antes que el 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 era variada y habían aparecido cianobacterias.


Las proteínas de la fotosíntesis mostraron patrones de evolución casi idénticos a los de las enzimas más antiguas, que se remontan mucho en el tiempo, lo que sugiere que evolucionaron de manera similar.


El primer autor del estudio, Thomas Oliver, del Departamento de Ciencias de la Vida del Colegio 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 clave necesarios para la evolución del oxígeno en el Fotosistema II se remontan a las primeras etapas de la evolución de la enzima".


Dirigiendo la evolución


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


El Dr. Cardona, dijo: “Ahora tenemos una buena idea de cómo evolucionan las proteínas de la fotosíntesis, adaptándose a un mundo cambiante, podemos usar la 'evolución dirigida' para aprender cómo para cambiarlos para producir nuevos tipos de química.


“Podríamos desarrollar fotosistemas que pudieran llevar a cabo nuevas reacciones químicas complejas, ecológicas y sostenibles, alimentadas enteramente por la luz”.



Más información: “Time-resolved comparative molecular evolution of oxygenic photosynthesis” by Thomas Oliver, Patricia Sánchez-Baracaldo, Anthony W. Larkum, A. William Rutherford and Tanai Cardona, 19 February 2021, BBA – Bioenegetics.

DOI: 10.1016/j.bbabio.2021.148400


Nota original: Hayley Dunning, Imperial College London

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