En el corazón de los Campos Flégreos en Italia, un paisaje volcánico de aguas hirvientes y suelos ácidos, vive un organismo que desafía la lógica biológica. Se trata de Cyanidioschyzon merolae, un alga roja unicelular capaz de realizar fotosíntesis en condiciones extremas donde pocos seres vivos podrían sobrevivir. Su existencia ha desconcertado a los científicos durante años: ¿cómo es posible que un organismo tan simple prospere en un ambiente tan hostil?
Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Míchigan ha publicado un estudio en Plant Physiology donde analizan cómo C. merolae logra concentrar carbono para la fotosíntesis sin las estructuras típicas que tienen otros organismos. Sus hallazgos podrían no solo ampliar el conocimiento sobre la evolución de la fotosíntesis, sino también inspirar nuevas estrategias para mejorar cultivos agrícolas en condiciones adversas.
Un mecanismo no convencional para captar carbono
En la mayoría de las plantas y algas, la fotosíntesis se apoya en un sistema llamado mecanismo de concentración de carbono (CCM, por sus siglas en inglés). Este mecanismo permite a las células capturar y concentrar CO₂ cerca de la enzima rubisco, optimizando la fijación de carbono y reduciendo el desperdicio energético. Sin embargo, en C. merolae este proceso ocurre sin los componentes habituales de un CCM, como los pirenoides en algas verdes o los carboxisomas en cianobacterias.
Los investigadores encontraron que la afinidad de las células de C. merolae por el CO₂ es mucho mayor que la afinidad de su rubisco por este gas. En palabras de los autores: “La afinidad celular de C. merolae por el CO₂ es más fuerte que la afinidad de su rubisco por el CO₂”. Esto sugiere que el alga cuenta con un CCM no convencional, cuyo funcionamiento no se basa en la acumulación de bicarbonato ni en compartimentos especializados, sino en un proceso más simple pero igualmente eficaz.
Construyendo un modelo matemático para explicar el fenómeno
Para comprender cómo funciona este CCM alternativo, los investigadores diseñaron un modelo matemático que simula las condiciones celulares de C. merolae. Este modelo permitió explorar diferentes parámetros biológicos y evaluar cuáles eran esenciales para que el CCM pudiera operar de manera eficiente.
Uno de los mayores desafíos fue definir cómo interactúan los distintos factores bioquímicos y físicos dentro de la célula. “Un gran reto en este estudio fue entender cómo todos los parámetros que introducíamos en nuestro modelo interactuaban entre sí”, explicó Joshua Kaste, coautor del estudio. Gracias a este enfoque, identificaron elementos clave como el pH citosólico, el costo energético del bombeo de bicarbonato y la permeabilidad de las membranas al CO₂, que determinan la efectividad del CCM.
Un sistema adaptable con implicaciones más allá de la biología
Los resultados del modelo revelaron que el CCM de C. merolae funciona de manera eficiente bajo múltiples condiciones ambientales. De las 240.000 combinaciones de parámetros analizadas, aproximadamente el 6% resultaron en un CCM funcional y energéticamente eficiente.
Esto tiene importantes implicaciones no solo para la biología fundamental, sino también para la biotecnología y la agricultura. Al entender los principios esenciales de este sistema, los científicos podrían diseñar nuevas estrategias para mejorar la fotosíntesis en cultivos agrícolas, haciéndolos más resistentes a condiciones extremas como sequías o suelos pobres en carbono.
El papel de la inteligencia artificial en la investigación
Para analizar la enorme cantidad de datos generados por el modelo, el equipo utilizó aprendizaje automático. Entrenaron un modelo de inteligencia artificial para identificar qué parámetros tenían mayor impacto en la eficiencia del CCM y cuáles eran prescindibles.
Este enfoque permitió reducir el tiempo de análisis y mejorar la precisión de las predicciones, facilitando la identificación de las características esenciales del CCM. Además, demuestra cómo la combinación de biología y herramientas computacionales puede abrir nuevas vías para la investigación en fotosíntesis y adaptación al medio ambiente.
Un paso más en la comprensión de la vida en condiciones extremas
El estudio de C. merolae no solo desafía nuestra comprensión de los mecanismos fotosintéticos, sino que también plantea nuevas preguntas sobre la evolución de la vida en ambientes extremos. Si un organismo tan simple ha desarrollado un CCM funcional sin estructuras especializadas, ¿podrían existir otros sistemas similares en diferentes tipos de vida?
Las futuras investigaciones se centrarán en reproducir este sistema en otros organismos y explorar cómo estas adaptaciones podrían aplicarse en la biotecnología. A medida que el cambio climático y la degradación ambiental desafían la producción de alimentos, el conocimiento sobre organismos como C. merolae podría desempeñar un papel clave en el desarrollo de soluciones sostenibles.
Referencias
- Steensma, A. K., Kaste, J. A. M., Heo, J., Orr, D. J., Sung, C. L., Shachar-Hill, Y., & Walker, B. J. (2024). Modeling with uncertainty quantification reveals the essentials of a non-canonical algal carbon-concentrating mechanism. Plant Physiology, 197, kiae629. DOI: 10.1093/plphys/kiae629.
Cortesía de Muy Interesante
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