Investigadores del Caltech encuentran evidencias de un fotosistema temprano de oxidación del manganeso
Tomi hahndorf
El proceso de oxidación del manganeso podría suponer un peldaño esencial para comprender el surgimiento del oxígeno en la Tierra
El oxígeno
es necesario para la supervivencia de la mayoría de las especies vivas
en la Tierra. Pero la atmósfera del planeta no siempre contiene esta
sustancia imprescindible para la vida, y uno de los misterios más
grandes para la ciencia es conocer cómo y cuándo comenzó inicialmente la fotosíntesis del oxígeno,
el proceso responsable de la producción del oxígeno a partir de la
ruptura de moléculas de agua en nuestro planeta. Ahora, un equipo
liderado por geobiólogos del California Institute of Technology
(Caltech) ha encontrado la evidencia de un proceso precursor en el que
está implicado el manganeso,
que actúa como depredador de cianobacterias, el primer grupo de
organismos que utiliza la fotosíntesis para liberar oxígeno en el
medioambiente.
El hallazgo, publicado en Proceedings of the National
Academy of Sciences (PNAS) bajo el titulo “Manganese-oxidizing
photosynthesis before the rise of cyanobacteria”, ofrece un rotundo
soporte a la idea de que la oxidación del manganeso (que, pese a su
nombre, es una reacción química en la que no toma parte el oxígeno)
facilita un peldaño evolutivo para el desarrollo del proceso
fotosintético de oxidación del agua que se da en las cianobacterias.
“El proceso fotosintético de oxidación o ruptura de la
molécula del agua fue inventado por las cianobacterias hacer
aproximadamente unos 2,4 billones de años y, después, fue tomado
prestado por otros organismos de alrededor –explica Woodward Fischer,
profesor asistente de Geobiología en el Caltech y coautor del estudio-.
Las algas tomaron prestado este sistema de fotosíntesis de las
cianobacterias, y las plantas son sólo un grupo de algas que tomaron la
fotosíntesis en la tierra, por lo que pensamos que con este
descubrimiento estamos contemplando el comienzo de la maquinaria
molecular que dio origen al oxígeno”.
La fotosíntesis es el proceso por el cual la energía que
procede del Sol es utilizada por las plantas y otros organismos para
romper las moléculas de agua y dióxido de carbono con el fin de fabricar
carbohidratos y oxígeno. El manganeso se requiere para que se produzca
la ruptura del agua, por lo que cuando los científicos empezaron a
preguntarse qué pasos evolutivos habían conducido a la presencia de una
atmósfera oxigenada en la Tierra, comenzaron por prestar atención a la
evidencia del proceso fotosintético de oxidación del manganeso en la
cianobacterias, que era anterior en el tiempo. Puesto que la oxidación
simplemente es un proceso que implica la transferencia de electrones
para incrementar la carga de un átomo, y ya que esto puede lograrse
utilizando luz o dióxido de carbono, podría haber ocurrido antes del
surgimiento del oxígeno en nuestro planeta.
“El manganeso desempeña un rol esencial como catalizador
necesario en los procesos contemporáneos de ruptura del agua en
biología, por lo que su proceso fotosintético de oxidación podría tener
sentido como un potencial fotosistema de transición”, explica Jean
Johnson, estudiante graduada en el laboratorio Fischer del Caltech y
líder del estudio del Caltech.
Para comprobar la hipótesis de que la fotosíntesis basada
en el manganeso ocurrió antes que la evolución de las cianobacterias del
oxígeno, los investigadores examinaron sedimentos marinos de rocas con
grandes depósitos de manganeso, obtenidos recientemente en excavaciones
llevadas a cabo por el Agouron Institute y datados en Sudáfrica hace
unos 2.415 millones de años.
El manganeso se disuelve en el agua del mar. De hecho, si
no hay fuertes oxidantes alrededor que puedan captar sus electrones, se
mantiene en estado acuoso, explica Fisher. Sin embargo, en cuanto se
oxida o pierdes electrones, el manganeso precipita, formando un sólido
que puede alcanzar altos grados de concentración dentro de los
sedimentos del fondo marino.
“La simple observación de estos grandes enriquecimientos
–que alcanzan el 16% de manganeso en algunas muestras- ofrecía una
fuerte evidencia de que el manganeso había pasado por una oxidación,
aunque esa afirmación requería de una confirmación”, explica. Para
probar la tesis de que el manganeso formaba parte originalmente de las
rocas de Suráfrica y que no fue depositado allí más tarde por fluidos
hidrotermales o cualquier otro fenómeno, Johnson y su equipo
desarrollaron y emplearon técnicas que permitían al equipo evaluar la
cantidad y el estado de oxidación de las cargas de manganeso mineral en
escalas muy pequeñas, de hasta 2 micronésimas.
“Sin duda, trabajar con estas rocas en una escalas de
micronésismas era muy complicado –confiesa Fischer-. Y más todavía
porque las rocas ocupaban cientos de metros de estratos repartidos a lo
largo de cientos de kilómetros cuadrados de la cuenca oceánica, por lo
que era necesario estar preparados para trabajar entre varias escalas,
desde las muy detalladas, hasta aquellas que comprenden todo el depósito
y que son necesarias para entender como funcionaba todo este viejo
proceso medioambiental”.
Empleando estas aproximaciones multiescala, Johnson y sus
compañeros demostraron que el manganeso estaba originalmente en las
rocas y que primero se depositó en los sedimentos como óxido de
manganeso. También probaron que la oxidación del manganeso sucedió a lo
largo de una amplia franja de la antigua cuenca marina y durante todo el
espectro de tiempo al que se ha tenido acceso gracias a las
excavaciones.
“Es realmente increíble poder utilizar las técnicas de
Rayos X para mirar atrás en los registros de las rocas y emplear las
observaciones químicas a escalas microscópicas para arrojar luz sobre
algunos de los procesos y mecanismos fundamentales que ocurrieron hace
billones de años –confirma Samuel Webb, coautor del trabajo y científico
de referencia en el SLAC National Accelerator Laboratory en la
Universidad de Stanford, donde la mayoría de los experimentos del
estudio tuvieron lugar-. Las preguntas relativas a la secuencia
fotosintética y al consiguiente surgimiento del oxígeno en la atmósfera
con críticas para entender no sólo la historia de nuestro propio
planeta, sino las bases de cómo la biología ha perfeccionado el proceso
de la fotosíntesis a lo largo del tiempo”.
Dos técnicas
Una vez que el equipo confirmó que el manganeso había sido
depositado en fase de óxido cuando las rocas estaban empezando a
formarse, comprobaron si esos óxidos de manganeso estaban formados, de
hecho, antes de la ruptura fotosintética de la molécula de agua, o si se
había formado después como resultado de una reacción con el oxígeno.
Para conseguir confirmar la presencia del oxígeno, emplearon dos
técnicas distintas. Se trataba de descartar que el proceso fotosintético
de ruptura del agua se encontraba evolucionado en este momento del
tiempo. De hecho, el manganeso de los depósitos se había oxidado y
depositado antes de la aparición de la ruptura de la molécula del agua
en las cianobacterias. Esto implica, según explica el equipo
investigador, que la fotosíntesis de oxidación de manganeso fue un
peldaño que condujo a la producción del oxígeno por medio de la
fotosíntesis de ruptura de la molécula del agua.
“Creo que a partir de ahora surgirán un buen número de
experimentos adicionales en los que la gente intente conseguir y
revertir el proceso de ingeniería del fotosistema de la fotosíntesis del
manganeso o las células –expone Fischer-. Una vez que conoces que esto
sucedió, surgen más razones para tomarse en serio un programa
experimental basado en hacerse este tipo de preguntas. ¿Podemos hacer un
fotosistema que sea capaz de oxidar el manganeso pero que no conlleve
una ruptura de la molécula de agua? ¿Cómo se comportaría y cuáles son
sus procesos químicos? Incluso, considero que sabemos cómo es la ruptura
de la molécula del agua hoy en día y cómo es su apariencia, pero
todavía no sabemos exactamente cómo funciona. Queda pendiente un
descubrimiento mayor todavía para encontrar cómo funciona exactamente la
catálisis, y ahora, sabiendo de dónde procede esta maquinaria se pueden
abrir nuevas perspectivas sobre su funcionamiento, un conocimiento que
puede ayudar a obtener tecnologías que puedan permitir la producción de
energía a partir de fotosíntesis artificiales”.
Mutar cianobacterias
El siguiente paso en el laboratorio Fischer es que Johnson
planea trabajar con otros científicos para intentar conseguir mutar
cianobacterias y volver hacia atrás para reproducir la fotosíntesis de
oxidación del manganeso. El equipo también planea investigar una serie
de rocas del oeste de Australia que tienen una antigüedad similar a la
de las muestras empleadas en el estudio y que podrían contener también
muestras de manganeso. Si los resultados de sus estudios actuales son
una indicación verdadera del proceso fotosintético de oxidación del
manganeso, afirman, debe de haber más evidencias de estos procesos en
otros lugares del mundo.
“El oxígeno es el fondo en el que esta historia se está
desarrollando, pero realmente, esto es un cuento sobre la evolución,
sobre ese intenso metabolismo que sucedió una vez, y que es una
singularidad evolutiva que transformó el planeta –concluye Fischer-.
Estamos consiguiendo conocimientos sobre la evolución de uno de esos
destacados procedimientos moleculares que condujeron a la oxigenación de
la atmósfera de nuestro planeta, y ahora vamos a seguir estudiándolo
desde todos los ángulos para obtener el mayor número de conclusiones
posibles”.
Informando: http://elarcadelmisterio.blogspot.com/
Fuente: ABC
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