Cartas a un joven humano de una cianobacteria

Jovencísimo humano, la vida de una cianobacteria se ha vuelto muy estresante, nostras que provocamos el cambio químico planetario más gigantesco en la vida de la tierra, nosotras que llenamos de oxígeno la atmósfera primigenia, hemos tenido que crear unas cápsulas protectoras para defendernos del mismo oxígeno que producimos. Menos mal que vosotros queréis quemar todo el CO2 que se os pone por delante y que taláis todo lo que veis con lignina. Quizá

Fuimos las primeras con nuestras hermanas las arqueas en comer o fijar CO2, como diríais vosotros. La atmósfera original de la tierra estaba hace, hace miles de millones de años, llena de atosigante y rico CO2, el fresco y reactivo oxígeno era una rareza. Inventamos una enzima llamada RuBisCO que permite unir CO2 a una molécula (La Ribulosa 1,5-bisfosfato, la Ribup) y quitarla de la atmósfera. Hay otras maneras de fijar CO2, pocas, pero ésta es la que más éxito ha tenido, con mucha diferencia.

Luego inventamos la fotosíntesis y con el fotosistema II empezamos a disociar agua y crear el oxígeno molecular. No teníamos competencia, mientras ibamos retirando mucho CO2 creando masa orgánica, el oxígeno aumentaba día a día , primero en los océanos, luego en la tierra y finalmente en la atmósfera. La gran oxidación se llamó. Esto, además, abrió un nicho para unas formas de vida de metabolismo aeróbico mucho más activas por la cantidad de energía que podían obtener de lo orgánico utilizando ese oxígeno. Luego aparecieron las algas que a su vez dieron lugar a las plantas y nos copiaron. Ahora, producen más O2 que nosotras, (y se estaban pasando), bueno, nosotras también. Incluso habiendo comedores de O2 la concentración siguió aumentando y la de CO2 siguió bajando.

Al final la enzima RuBisCO, tan fundamental para nosotras, de la que hemos hablado se vio afectada. Como hemos dicho le añade un CO2 a una molécula de Ribup que tiene cinco carbonos y la convierte en una de seis. Esta molécula de seis se parte en dos de tres carbonos iguales y entra en el metabolismo para crear azúcares, glucosa y esas cosas. Pero, si hay mucho oxígeno en el entorno de la enzima, no diferencia muy bien entre CO2 y muchas veces añade O2, que da un metabolito que hay que eliminar porque es tóxico y no sirve. Y eso no nos viene bien a nosotras tanto las de agua dulce como las de agua salada, ni a las algas ni a las plantas tampoco. Había que encontrar una solución.

Una era aumentar la especificidad de la Rubisco que diferencie mejor entre CO2 y O2 pero eso le restaba eficiencia. Ya de por sí es una enzima lenta unas diez moléculas de co2 por segundo y esto lo bajaba a tres, como le pasa ahora a la de las plantas. Para ellas no era una mala opción solo tenían que acumular más, y así lo hicieron en grandes cantidades en las hojas. A nosotras acumularla nos hubiera ocasionado un grave problema osmótico por lo que solo nos quedaba jugar con Le Châtelier y eso hicimos.

Buscamos un mecanismo para aumentar la concentración de CO2 respecto a O2 y así no tener que alterar mucho la capacidad de la enzima RuBisCO. La solución que encontramos fue viral. Como los virus que forman cápsides icosaédricas encontramos unas proteínas que formaban una cápside enorme, carboxisomas modelo T25, grandes como un camión, de 100 nanometros, capaz de almacenar mucha RuBisCO, 125 unidades de ocho reactores, empaquetada con anhidrasa carbónica, 100 copias, que produce CO2 a partir de ion bicarbonato. Así, la RuBisCO trabaja en el carboxisoma en un entorno más favorable a lo que queremos conseguir, que además, el CO2 difunde peor en agua que en aire. Es lo que llamais un mecanismo de concentración de CO2.

Yo soy una cianobacteria de agua dulce, con beta carboxisomas pero nuestras hermanas de salada encontraron una solución muy similar con otras proteínas similares, formando igualmente alfa carboxisomas icosaédricos. Eso que llaman evolución convergente. Con esto, conseguimos una buena producción de azúcares evitando el efecto nocivo del O2 que nostras mismas producimos, y sin tener que acumular RuBisCO en cantidades ingentes como hacen las plantas en sus hojas. Nos quedaron preciosas y como mecanismo de concentración de CO2 son fantásticas, son como una gema en nuestro interior, una especie de orgánulo.

La tendencia hasta hace poco era que continuase disminuyendo el CO2 planetario pero vosotros los humanos habéis desplazado el equilibrio, para nosotras mejor, estamos preparadas. Seguir así, y no llegareis al giga año heterótrofos inconscientes, a no ser que dejéis trabajar a la RuBisCO o inventéis algo mejor, que lo dudo.

REFERENCIAS

Atomic-Level Models of the Bacterial Carboxysome Shell. Shiho Tanaka, Cheryl A. Kerfeld, Michael R. Sawaya, Fei Cai, Sabine Heinhorst, Gordon C. Cannon, Todd O. Yeates. Science 22 Feb 2008:
Vol. 319, Issue 5866, pp. 1083-1086 DOI: 10.1126/science.1151458

Biogenesis of a Bacterial Organelle: The Carboxysome Assembly Pathway. Jeffrey C. Cameron, Steven C. Wilson, Susan L. Bernstein, Cheryl A. Kerfeld. Cell Volume 155, Issue 5, p1131–1140, 21 November 2013.

Structure of Carboxysomes and Other Bacterial Microcompartments
http://mmbr.asm.org/content/77/3/357.full

On the origins of oxygenic photosynthesis and aerobic respiration in Cyanobacteria. Rochelle M. Soo1, James Hemp2, Donovan H. Parks, Woodward W. Fischer, Philip Hugenholtz. Science 31 Mar 2017:Vol. 355, Issue 6332, pp. 1436-1440

First Crystal Structure of Rubisco from a Green Alga, Chlamydomonas reinhardtii. Thomas C. Taylor, Anders Backlund, Karin Bjorhall, Robert J. Spreitzer and Inger Andersson. JBC

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