Un equipo internacional liderado por las científicas rosarinas Clarisa Alvarez y Verónica Maurino identificó cambios estructurales en una enzima que participa del metabolismo C4, según dos artículos publicados en Molecular Biology and Evolution y The Plant Journal.
Un equipo de investigación internacional liderado por las científicas rosarinas Clarisa Alvarez y Verónica Maurino descubrió los cambios estructurales que permiten a una enzima clave participar del llamado metabolismo C4, presente en cultivos como el maíz, el sorgo y la caña de azúcar. Los hallazgos fueron presentados en dos artículos complementarios publicados en las revistas Molecular Biology and Evolution y The Plant Journal, siendo este último portada.
El metabolismo C4 es un mecanismo molecular que vuelve más eficiente la fotosíntesis y permite utilizar mejor el dióxido de carbono del ambiente como fuente de carbono, especialmente en condiciones de alta temperatura o radiación y menor disponibilidad de agua.
«Comprender estos determinantes moleculares no sólo nos permite reconstruir cómo se especializaron estas enzimas durante la evolución de la fotosíntesis C4, sino que también abre perspectivas para el futuro. Por ejemplo, este conocimiento podría utilizarse, mediante estrategias de ingeniería y edición génica, para modificar enzimas de plantas con metabolismo C3 -menos eficientes en la utilización del dióxido de carbono- e intentar incorporar algunas de las características que contribuyen a las ventajas adaptativas y productivas de las plantas C4», señaló a la Agencia CyTA-Leloir Clarisa Alvarez, doctora en Ciencias Biológicas, investigadora del Conicet en el Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos (Cefobi), que depende también de la Universidad Nacional de Rosario (UNR).
Alvarez unió fuerzas con la doctora en Bioquímica Verónica Maurino, colega argentina que trabaja en la Universidad de Bonn, en Alemania, y dirige el Departamento de Fisiología Molecular de Plantas de esa institución. Juntas estudiaron un mecanismo clave del metabolismo C4: la concentración de dióxido de carbono alrededor de una enzima de los cloroplastos llamada RuBisCO, que se encarga de fijar ese gas de la atmósfera a un azúcar.
«La RuBisCO es clave en la fotosíntesis porque permite a las plantas incorporar el dióxido de carbono y transformarlo en compuestos orgánicos necesarios para crecer», explicó Alvarez, quien también es codirectora de la Escuela de Biotecnología de la Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas de la UNR y prosecretaria de la Asociación Argentina de Cristalografía.
En particular, Alvarez y Maurino examinaron la participación de otra enzima, llamada enzima málica dependiente de NADP+ o NADP-ME, que concentra el dióxido de carbono alrededor de RuBisCO a partir de la degradación de un azúcar. Esa concentración evita que RuBisCO se una al oxígeno en lugar de fijar el dióxido de carbono.
El interrogante era cuál es la diferencia entre la variante o isoforma de NADP-ME que cumple ese rol en la fotosíntesis C4 de plantas como el maíz o el sorgo -conocida como C4-NADP-ME- y otras isoformas de la enzima que tienen funciones metabólicas diferentes.
«Pequeñas diferencias en la estructura de enzimas como NADP-ME determinan propiedades funcionales muy distintas», explicó Alvarez. «Para hacer una analogía con el deporte, sería como comparar una pelota de fútbol con una de básquet: ambas son pelotas y tienen características generales muy similares, pero pequeñas diferencias en su estructura hacen que estén especialmente adaptadas a funciones distintas», graficó.
Para dilucidar esas diferencias, las investigadoras recurrieron a diversas técnicas de análisis, incluyendo la cristalografía, un método que obtiene la estructura de una proteína a altísima resolución. «Eso da la ventaja de poder comparar esas ‘fotos’ entre distintas proteínas que se parecen», señaló otro coautor, Sebastián Klinke, doctor en Química Biológica, investigador del Conicet en la Fundación Instituto Leloir y expresidente de la Asociación Argentina de Cristalografía.
Klinke interpretó computacionalmente la información de los ensayos cristalográficos llevados a cabo en la estación sincrotrón de Hamburgo, Alemania, un acelerador de partículas de más de dos kilómetros de circunferencia. Mediante difracción de rayos X reconstruyeron la estructura tridimensional de la proteína cristalizada. También se realizaron análisis bioquímicos, de microscopía electrónica y simulaciones computacionales.
Los análisis revelaron que cambios en determinados aminoácidos de ambas regiones terminales de la enzima estabilizan la diferente arquitectura de las isoformas de NADP-ME: las que no participan de la fotosíntesis se construyen con dos subunidades ensambladas, mientras que la C4-NADP-ME integra cuatro subunidades. «Esa organización proporciona el contexto estructural para adquirir propiedades regulatorias características de la enzima C4-EM-NADP con roles fotosintéticos», resumió Alvarez.
El equipo también dilucidó la naturaleza de la interacción de las distintas variantes de la enzima con las moléculas sobre las que actúan, lo que correlaciona con su diferente capacidad de acelerar reacciones, explicó Klinke, quien también integra la Plataforma Argentina de Biología Estructural y Metabolómica (Plabem), con sedes en el Leloir y en el Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR).
Alvarez añadió que la fotosíntesis C4 ha evolucionado de manera independiente al menos 65 veces en 19 linajes de plantas, lo que pone de manifiesto la ventaja adaptativa que confiere este mecanismo.
«Si bien nuestros hallazgos no implican que podamos convertir inmediatamente una planta C3 como el trigo, el arroz o el tomate en una planta C4 mediante la introducción de estos cambios, identificar las reglas moleculares que determinan la adquisición y optimización de estas funciones permitiría diseñar estrategias para mejorar componentes de la fotosíntesis y aumentar la tolerancia de los cultivos frente a condiciones ambientales adversas. Esto adquiere especial relevancia en un contexto de cambio climático, caracterizado por aumentos de temperatura y una mayor frecuencia e intensidad de eventos de estrés ambiental», concluyó Alvarez.
De la investigación también participaron Mariana Saigo y María Fabiana Drincovich, del Cefobi de Rosario; y Fernando Zamarreño y Marcelo Costabel, del Instituto de Física del Sur (IFISUR), que depende del Conicet y de la Universidad Nacional del Sur (UNS), en Bahía Blanca, quienes realizaron simulaciones de los estados activos de la enzima.
Además de Alvarez, Maurino y Klinke, el estudio publicado en Molecular Biology and Evolution también lo firman Jonas Böhm, Simone Willms, Oja Ferrao, Martin Buitrago-Arango y Meike Hüdig, de la Universidad de Bonn; Gereon Poschmann, Nazanin Fazelnia y Luitgard Nagel-Steger, de la Universidad de Düsseldorf, Alemania; Athina Drakonaki y Christos Gatsogiannis, de la Universidad de Münster, Alemania; y Marcos Tronconi, del Cefobi, en Rosario. En tanto, del publicado en The Plant Journal también fueron autores Jonas Böhm y Simone Willms, de la Universidad de Bonn; Niels Schneberger, de la Universidad de Saint Andrews, en Escocia; y Rosario Lunari, del Cefobi.