Minimalismo microbiano

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Aspecto de la cianobacteria UCYN-A, un importante fijador del nitrógeno en ambientes marinos (fuente).

Volvemos con la fotosíntesis y las cianobacterias. Un grupo investigador de la Universidad de California Santa Cruz liderdo por el microbiólogo Jonathan Zehr, ha publicado un artículo en la revista Nature sobre la secuenciación del genoma de una cianobacteria que presenta varias peculiaridades.

La primera, el microorganismo no ha sido aislado y crecido en el laboratorio por lo que aún no tiene nombre oficial sino que se le sigue llamando por el apodo UCYN-A (*). Se ha utilizado una combinación de técnicas metagenómicas y de citometría de flujo para conseguir dichos resultados.

La segunda, UCYN-A es un microorganismo muy abundante en mares tropicales y sub-tropicales, siendo uno de los principales responsables del proceso de fijación del nitrógeno en los ambientes marinos

Y la tercera. Como cianobacteria es un microorganismo fotosintético, pero al contrario que otras cianobacterias, UCYN-A no realiza la fotosíntesis oxigénica, ni tampoco es un microorganismo autótrofo.

Cuando se estudian las cianobacterias se explica que estos microorganismos son fotoautótrofos. Es decir, mediante la fotosíntesis transforman la luz en energía química y gracias a esa energía pueden usar el CO2 para sintetizar sus compuestos orgánicos. Sin embargo se suele obviar que también realizan otra importante función. Gracias a esa energía química son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico lo que quiere decir que toman una molécula de N2, la rompen y la transforman en dos moléculas de NH3 que puede ser integrado en las rutas metabólicas y así sintetizar aminoácidos y ácidos nucleicos. La enzima clave del proceso de fijación del nitrógeno es la nitrogenasa y esta enzima es muy sensible a la presencia de oxígeno (O2). Si está dicho gas presente, la enzima se inactiva irreversiblemente.

Esquema de la reacción llevada a cabo por la enzima nitrogenasa. La fijación del nitrógeno es una de las reacciones más costosas desde el punto de vista energético (fuente).

La fotosíntesis de las cianobacterias es la llamada fotosíntesis oxigénica. En esta fotosíntesis se utilizan dos fotosistemas acoplados y en la etapa final del proceso se produce oxígeno. Y aquí tenemos un problema. Por un lado la fotosíntesis produce oxígeno y por otro el oxígeno inhibe la fijación del nitrógeno. ¿Cómo solucionarlo?

Las cianobacterias han encontrado dos soluciones fundamentalmente. La más sencilla es por el día fotosintetizar y producir oxígeno, y por la noche fijar nitrógeno. Otra solución es separar físicamente ambos procesos. En la cianobacteria Anabaena podemos encontrar dos tipos de células, las vegetativas y los cistes. En las primeras se produce la fotosíntesis y el oxígeno, en el segundo tipo encontramos una célula de paredes engrosadas que evita que entre dicho gas y así puede llevarse a cabo la fijación del nitrógeno. Pues bien, UCYN-A ha encontrado otra solución. Realizar la fotosíntesis pero sin producir oxígeno.

Microfotografía del género Anabaena. El ciste fijador del nitrógeno es la célula de paredes engrosadas (fuente).

El tipo de fotosíntesis que realiza UCYN-A es la llamada fotosíntesis anoxigénica. Para realizarla solo necesitas un fotosistema, por lo que evolutivamente hablando apareció antes que la fotosíntesis oxigénica que necesita dos fotosistemas. Pero el caso de UCYN-A es distinto porque es una cianobacteria. Lo que ha ocurrido es que el ancestro de UCYN-A tenía los dos fotosistemas y en algún momento perdió la capacidad de sintetizar el segundo fotosistema, perdiendo la capacidad de producir oxígeno, pero permitiendo la capacidad de fijar nitrógeno mucho más eficientemente durante todo el día.

Comparación del flujo de electrones en la fotosíntesis anoxigénica y la oxigénica. La primera sólo tiene un fotosistema (P700) y es la típica que podemos encontrar en bacterias verdes o en bacterias rojas del azufre. En la oxigénica se acoplan dos fotosistemas (P700 y P680) por lo que se produce la fotolisis del agua y se libera oxígeno. La cianobacteria UCYN-A ha perdido el fotosistema P680 y por ello su fotosíntesis es anoxigénica. (Fuente)

El asunto es que UCYN-A no ha parado de perder capacidades metabólicas. No sólo no produce oxígeno, sino que también ha dejado de necesitarlo y por ello carece de la ruta del ciclo de Krebs. Tampoco presenta ciclo de la Urea. Adicionalmente, al perder el acoplamiento entre fotosistemas no consigue tanta energía química a partir de la luz solar, y el proceso de fijación del nitrógeno requiere mucha energía para funcionar, así que también ha perdido el ciclo de Calvin por lo que no puede usar el CO2, y para colmo ha perdido la capacidad de biosintetizar 10 de los 20 aminoácidos. Es decir, UCYN-A ya no es un microorganismo autótrofo.

Esquema de las rutas metabólicas presentes en UCYN-A. En la membrana se representa un único fotosistema asociado a la cadena de transporte de electrones y a una ATPasa de membrana. En el interior flatarían las rutas metabólicas del ciclo de Krebs (TCA) del ciclo de Calvin y de la Urea (círculos con punteado rojo). Adaptado a partir de Tripp et al.

En palabras de James Tripp, el investigador que encabeza el artículo, los análisis bioinformáticos de su genoma indican que este microorganismo debe de tener algún tipo de fuente externa donde obtener azúcares, aminoácidos y dos de las purinas para hacer su DNA. Pero aún se desconoce cuál es esa fuente. Veremos que sorpresas nos depara el futuro.

(*) El nombre de UCYN-A parece provenir de Unicellular Cyanobacteria Nitrogen-fixing - Aloha. Y es que esta cianobacteria fue hallada por primera vez en el archipiélago de las Hawai.

Otros enlaces relacionados:

Fijación Biológica de N2, relación CO2/O2 del medio y producción vegetal

Tripp, H., Bench, S., Turk, K., Foster, R., Desany, B., Niazi, F., Affourtit, J., & Zehr, J. (2010). Metabolic streamlining in an open-ocean nitrogen-fixing cyanobacterium Nature DOI: 10.1038/nature08786

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