La microscopía avanzada revela proteínas que impulsan la fotosíntesis
Los secretos de la fotosíntesis se han descubierto a nivel atómico, lo que arroja nueva e importante luz sobre esta superpotencia vegetal que hizo que la Tierra fuera más verde hace más de mil millones de años.
Los investigadores del Centro John Innes utilizaron un método de microscopía avanzado llamado crio-EM para explorar cómo se producen las proteínas fotosintéticas.
El estudio presenta un modelo y recursos para estimular nuevos descubrimientos fundamentales en este campo y contribuir a los objetivos a largo plazo de desarrollar cultivos más resilientes.
"La transcripción de genes de cloroplastos es un paso fundamental en la producción de proteínas fotosintéticas que proporcionan a las plantas la energía que necesitan para crecer. Esperamos que al comprender mejor este proceso, a nivel molecular detallado, equiparemos a los investigadores que buscan desarrollar plantas con una actividad fotosintética más sólida", afirmó el Dr. Michael Webster, líder del grupo y coautor del artículo.
"El resultado más importante de este trabajo es la creación de un recurso útil. Los investigadores pueden descargar nuestro modelo atómico de la cloroplasto polimerasa y utilizarlo para producir sus propias hipótesis sobre cómo podría funcionar y estrategias experimentales que las probarían".
La fotosíntesis tiene lugar dentro de los cloroplastos, pequeños compartimentos dentro de las células vegetales que contienen su propio genoma, lo que refleja su pasado como bacterias fotosintéticas de vida libre antes que fueran cooptadas y absorbidas por las plantas.
El grupo Webster en el Centro John Innes investiga cómo producen las plantas proteínas fotosintéticas, las máquinas moleculares que hacen que ocurra esta elegante reacción química, convirtiendo el dióxido de carbono atmosférico y el agua en azúcares simples y produciendo oxígeno como subproducto. La primera etapa en la producción de proteínas es la transcripción, donde se lee un gen para producir un "ARN mensajero". Este proceso de transcripción lo realiza una enzima llamada ARN polimerasa.
Hace 50 años se descubrió que los cloroplastos contienen su propia ARN polimerasa única. Desde entonces, los científicos se han sorprendido de lo compleja que es esta enzima. Tiene más subunidades que su antecesora, la ARN polimerasa bacteriana, y es incluso más grande que las ARN polimerasas humanas.
El grupo de Webster quería entender por qué los cloroplastos tienen una ARN polimerasa tan sofisticada. Para ello necesitaban visualizar la arquitectura estructural de la ARN polimerasa del cloroplasto.
El equipo de investigación utilizó un método llamado microscopía electrónica criogénica (crio-EM) para obtener imágenes de muestras de ARN polimerasa de cloroplasto purificada de plantas de mostaza blanca. Al procesar estas imágenes, pudieron construir un modelo que contiene las posiciones de más de 50.000 átomos en el complejo molecular.
El complejo de ARN polimerasa comprende 21 subunidades codificadas en los dos genomas, el nuclear y el cloroplasto. Un análisis detallado de esta estructura mientras realiza la transcripción permitió a los investigadores comenzar a explicar las funciones de estos componentes.
Imagen derecha: Estructura de la ARN polimerasa codificada por plastidios vegetales.
El modelo les permitió identificar una proteína que interactúa con el ADN a medida que se transcribe y lo guía hacia el sitio activo de la enzima. Otro componente puede interactuar con el ARNm que se está produciendo, lo que probablemente lo protege de proteínas que lo degradarían antes de que se traduzca en proteína.
El Dr. Webster dijo: "Sabemos que cada componente de la ARN polimerasa del cloroplasto tiene un papel vital porque las plantas que carecen de alguno de ellos no pueden producir proteínas fotosintéticas y, en consecuencia, no pueden volverse verdes. Estamos estudiando los modelos atómicos cuidadosamente para determinar cuál es el papel de cada uno de los 21 componentes del conjunto de científicos".
El primer autor conjunto, el Dr. Ángel Vergara-Cruces, dijo: "Ahora que tenemos un modelo estructural, el siguiente paso es confirmar el papel de las proteínas de transcripción del cloroplasto. Al revelar los mecanismos de transcripción del cloroplasto, nuestro estudio ofrece información sobre su papel en el crecimiento y la adaptación de las plantas y la respuesta a las condiciones ambientales".
El primer autor conjunto, el Dr. Ishika Pramanick, dijo: "Hubo muchos momentos sorprendentes en este extraordinario viaje de trabajo, desde la muy desafiante purificación de proteínas hasta la toma de impresionantes imágenes crio-EM de esta enorme proteína compleja y finalmente ver nuestro trabajo en una versión impresa".
El Dr. Webster concluyó: "El calor, la sequía y la salinidad limitan la capacidad de las plantas para realizar la fotosíntesis. Las plantas que pueden producir proteínas fotosintéticas de manera confiable frente al estrés ambiental pueden controlar la transcripción de los cloroplastos de manera diferente. Esperamos ver nuestro trabajo utilizado en el importante esfuerzo por desarrollar cultivos más robustos".
La investigación se ha publicado en la revista Cell: Structure of the plant plastid-encoded RNA polymerase
