Respire fundo. Agora pegue mais nove. De acordo com uma nova pesquisa, a quantidade de oxigênio em uma dessas 10 respirações foi possível graças a um mecanismo celular recém-identificado que promove a fotossíntese no fitoplâncton marinho.
Descrito como “inovador” por uma equipe de pesquisadores da Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego, esse processo anteriormente desconhecido representa entre 7% a 25% de todo o oxigênio produzido e carbono fixado no oceano. Ao considerar também a fotossíntese que ocorre em terra, os pesquisadores estimaram que esse mecanismo poderia ser responsável por gerar até 12% do oxigênio de todo o planeta.
Os cientistas há muito reconhecem a importância do fitoplâncton – organismos microscópicos que flutuam em ambientes aquáticos – devido à sua capacidade de fotossintetizar. Essas minúsculas algas oceânicas formam a base da cadeia alimentar aquática e estima-se que produzam cerca de 50% do oxigênio da Terra.
O novo estudo, publicado em 31 de maio na revista biologia atualidentifica como uma enzima de bombeamento de prótons (conhecida como VHA) ajuda na produção global de oxigênio e na fixação de carbono do fitoplâncton.
“Este estudo representa um avanço em nossa compreensão do fitoplâncton marinho”, disse o principal autor Daniel Yee, que conduziu a pesquisa enquanto estudante de doutorado na Scripps Oceanography e atualmente atua como pesquisador de pós-doutorado conjunto no European Molecular Biology Laboratory e na University of Grenoble Alpes. na França. “Ao longo de milhões de anos de evolução, essas pequenas células no oceano realizam reações químicas minuciosas, em particular para produzir esse mecanismo que aumenta a fotossíntese, que moldou a trajetória da vida neste planeta”.
Trabalhando em estreita colaboração com o fisiologista da Scripps, Martín Tresguerres, um de seus co-orientadores, e outros colaboradores da Scripps e do Lawrence Livermore National Laboratory, Yee desvendou o complexo funcionamento interno de um grupo específico de fitoplâncton conhecido como diatomáceas, que são algas unicelulares famosas por suas paredes celulares ornamentais feitas de sílica.
Entendendo a enzima “bomba de prótons”
Pesquisas anteriores no Tresguerres Lab trabalharam para identificar como o VHA é usado por uma variedade de organismos em processos críticos para a vida nos oceanos. Essa enzima é encontrada em quase todas as formas de vida, desde humanos até algas unicelulares, e seu papel básico é modificar o nível de pH do ambiente circundante.
“Nós imaginamos proteínas como blocos de Lego”, explicou Tresguerres, co-autor do estudo. “As proteínas sempre fazem a mesma coisa, mas dependendo de com quais outras proteínas elas estão emparelhadas, elas podem atingir uma função muito diferente”.
Em humanos, a enzima ajuda os rins a regular as funções do sangue e da urina. Amêijoas gigantes usam a enzima para dissolver os recifes de coral, onde secretam um ácido que abre buracos no recife para se abrigar. Os corais usam a enzima para promover a fotossíntese por suas algas simbióticas, enquanto os vermes do fundo do mar conhecidos como Osedax use-o para dissolver os ossos de mamíferos marinhos, como baleias, para que possam consumi-los. A enzima também está presente nas brânquias de tubarões e raias, onde faz parte de um mecanismo que regula a química do sangue. E nos olhos de peixe, a bomba de prótons ajuda a fornecer oxigênio que melhora a visão.
Olhando para esta pesquisa anterior, Yee se perguntou como a enzima VHA estava sendo usada no fitoplâncton. Ele decidiu responder a essa pergunta combinando técnicas de microscopia de alta tecnologia no Tresguerres Lab e ferramentas genéticas desenvolvidas no laboratório do falecido cientista Scripps Mark Hildebrand, que era um dos principais especialistas em diatomáceas e um dos co-consultores de Yee.
Usando essas ferramentas, ele conseguiu rotular a bomba de prótons com uma etiqueta verde fluorescente e localizá-la com precisão em torno dos cloroplastos, conhecidos como “organelas” ou estruturas especializadas dentro das células das diatomáceas. Os cloroplastos das diatomáceas são envolvidos por uma membrana adicional em comparação com outras algas, envolvendo o espaço onde o dióxido de carbono e a energia luminosa são convertidos em compostos orgânicos e liberados como oxigênio.
“Conseguimos gerar essas imagens que mostram a proteína de interesse e onde ela está dentro de uma célula com muitas membranas”, disse Yee. “Em combinação com experimentos detalhados para quantificar a fotossíntese, descobrimos que essa proteína está realmente promovendo a fotossíntese ao fornecer mais dióxido de carbono, que é o que o cloroplasto usa para produzir moléculas de carbono mais complexas, como açúcares, ao mesmo tempo em que produz mais oxigênio como subproduto. produtos.”
Conexão com a evolução
Depois que o mecanismo subjacente foi estabelecido, a equipe conseguiu conectá-lo a vários aspectos da evolução. As diatomáceas foram derivadas de um evento simbiótico entre um protozoário e uma alga há cerca de 250 milhões de anos, que culminou na fusão dos dois organismos em um, conhecido como simbiogênese. Os autores destacam que o processo de uma célula consumindo outra, conhecido como fagocitose, é amplamente difundido na natureza. A fagocitose depende da bomba de prótons para digerir a célula que atua como fonte de alimento. No entanto, no caso das diatomáceas, algo especial ocorreu em que a célula que foi comida não foi totalmente digerida.
“Em vez de uma célula digerir a outra, a acidificação impulsionada pela bomba de prótons do predador acabou promovendo a fotossíntese da presa ingerida”, disse Tresguerres. “Ao longo do tempo evolutivo, esses dois organismos separados se fundiram em um, para o que agora chamamos de diatomáceas”.
Nem todas as algas têm esse mecanismo, então os autores acham que essa bomba de prótons deu às diatomáceas uma vantagem na fotossíntese. Eles também observam que, quando as diatomáceas se originaram, há 250 milhões de anos, houve um grande aumento de oxigênio na atmosfera, e o mecanismo recém-descoberto nas algas pode ter desempenhado um papel nisso.
Acredita-se que a maioria dos combustíveis fósseis extraídos do solo tenha se originado da transformação da biomassa que afundou no fundo do oceano, incluindo diatomáceas, ao longo de milhões de anos, resultando na formação de reservas de petróleo. Os pesquisadores esperam que seu estudo possa servir de inspiração para abordagens biotecnológicas para melhorar a fotossíntese, o sequestro de carbono e a produção de biodiesel. Além disso, eles acreditam que contribuirá para uma melhor compreensão dos ciclos biogeoquímicos globais, das interações ecológicas e dos impactos das flutuações ambientais, como as mudanças climáticas.
“Este é um dos estudos mais empolgantes no campo da simbiose nas últimas décadas e terá um grande impacto em futuras pesquisas em todo o mundo”, disse Tresguerres.
Co-autores adicionais incluem Raffaela Abbriano, Bethany Shimasaki, Maria Vernet, Greg Mitchell e o falecido Mark Hildebrand da Scripps Oceanography; Ty Samo, Xavier Mayali e Peter Weber do Laboratório Nacional Lawrence Livermore; e Johan Decelle da Universidade de Grenoble Alpes.
Os autores não receberam nenhum financiamento para este estudo. Os estudos de doutorado de Yee na Scripps Oceanography foram financiados pela Scripps Fellowship, pela bolsa de treinamento do NIH e pela Ralph Lewin Graduate Fellowship. Fundos da UC San Diego’s Arthur M. e Kate E. Tode Research Endowment in Marine Biological Sciences apoiaram a compra de um microscópio que foi essencial para a pesquisa.