Cianobacterias: ¿el futuro milagro biotecnológico?

Los científicos han estado estudiando las cianobacterias y sus muchas aplicaciones potenciales durante décadas, desde la reducción de las emisiones de CO2 hasta la creación de un sustituto para los plásticos basados en el petróleo, pero hasta ahora no existía una comprensión profunda del ciclo de vida completo y del metabolismo de ciertos compartimentos especializados dentro de estas bacterias comunes.

Una nueva investigación de la CU Boulder publicada en la revista Science Advances muestra cómo funcionan estos compartimentos especializados, conocidos como carboxisomas, y cómo su actividad puede ser medida con precisión. Los resultados de la investigación podrían conducir en última instancia a un aumento del rendimiento de las plantas, nuevos antibióticos y una mayor eficiencia en la producción de combustibles renovables.

"Esta era una cuestión que duraba desde hace 50 años, algo que la gente nunca podía abordar", dijo Jeffrey Cameron, profesor asistente del Departamento de Bioquímica y coautor de la nueva investigación.

En su trabajo como investigador postdoctoral, Cameron descubrió cómo se forman los carboxisomas: de adentro hacia afuera. Pero no pudo determinar su función en las células porque les costaba crecer bajo el microscopio.

Quería responder a las preguntas: ¿cuánto tiempo duran los carboxisomas? ¿Cuánto tiempo están activos? ¿Qué pasa con las células sin carboxisomas?

Conjunto de células de cianobacterias que muestran carboxisomas etiquetados con la proteína verde fluorescente (GFP) y las membranas fotosintéticas que delimitan cada célula (magenta). (Foto: Jeffrey C. Cameron)

Así, Cameron y sus colegas rastrearon enzimas específicas dentro de los carboxisomas de estas células, etiquetándolas con un marcador fluorescente verde. Luego añadieron sustancias para frenar la capacidad de la célula de producir nuevos carboxisomas. Los investigadores hicieron un seguimiento durante varios días.

Debido a que la capacidad de las células para crecer dependía de su capacidad para fijar el carbono, de esta manera podían rastrear directamente el efecto del carboxisoma en su crecimiento. Los investigadores encontraron que ajustando la cantidad de CO2 disponible en las células sin carboxisomas, podían encender y apagar su crecimiento, es decir, reactivándolos a voluntad desde un estado de inactividad.

Y al filmar miles de células y medirlas todas en la población, descubrieron varias aplicaciones prácticas. Alrededor del 5% de estos carboxisomas eran ultraproductivos y podían mantener su ritmo de crecimiento durante más de siete generaciones.

"Esto sería como tener el mismo cerebro legado por nuestros antepasados de varias generaciones atrás, funcionando aún durante tanto tiempo", dijo Cameron. "Si pudiéramos entender los principios de por qué estos carboxisomas son tan activos, podríamos ser capaces de mejorar significativamente el crecimiento de las plantas".

Existe ahora un gran impulso por tratar de poner carboxisomas en las plantas para mejorar la fotosíntesis, lo que podría mejorar enormemente su rendimiento, dijo Cameron, también del Instituto de Energía Renovable y Sostenible (RASEI) en CU Boulder.

Los carboxisomas también tienen el potencial de servir como mini biorreactores, aumentando el metabolismo para los procesos que crean los biocombustibles.

Mientras tanto, las bacterias patógenas, como la Salmonella, contienen microcompartimentos similares que les dan una ventaja metabólica en ciertos ambientes. Debido a que los humanos no tienen cianobacterias o microcompartimentos bacterianos, podría ser posible desarrollar nuevos antibióticos que se dirigieran específicamente a estas estructuras bacterianas, añadió. (Fuente: NCYT Amazings)