|
Molecola del mese
di settembre 2024
I ricercatori stanno studiando i cianobatteri
per aumentare la produttività in agricoltura
 Introduzione
La moderna agricoltura cerca in vari modi di aumentare la produzione
soprattutto delle colture che vengono usate come cibo o per la formazione
di biocombustibili.
Fino ad ora i miglioramenti in agricoltura hanno riguardato la somministrazione
di nutrienti, l'irrigazione, il contrasto di parassiti e malattie.
Negli ultimi anni, però, per sostenere
l'aumento della popolazione mondiale e per contrastare l'accumulo di
anidride carbonica in atmosfera che provoca il cambiamento climatico,
si stanno cercando nuovi modi per aumentare la produttività agricola.
Alcuni scienziati, per esempio, stanno studiando i meccanismi di base
della fotosintesi per cercare di migliorarne l'efficenza.
Una via per potenziare la fotosintesi consiste nel fornire una maggiore
quantità di anidride carbonica.
Esperti di anidride carbonica
I cianobatteri sono esperti nel catturare l'anidride carbonica che usano
nella fotosintesi. Questi semplici organismi fotosintetici si sono formati
molto presto nel corso dell'evoluzione e, per sopravvivere quando le
concentrazioni di anidride carbonica sono diminuite drasticamente mano
a mano che l'ambiente cambiava nel corso dei milioni di anni, hanno
evoluto delle tecniche uniche per concentrare la CO2.
Oggi i cianobatteri e il fitoplancton fissano circa la metà di
tutta la CO2 che viene fissata ogni giorno sulla Terra e lo fanno con
grande efficienza. Una delle loro strategie consiste nel trasportare
in modo selettivo la CO2 alla Rubisco, la proteina che fissa l'anidride
carbonica, e lo fanno usando diversi meccanismi molecolari. In questo
modo riescono ad aumentare di migliaia di volte la concentrazione di
CO2 attorno al sito attivo della Rubisco. I ricercatori stanno cercando
di implementare alcuni di questi meccanismi nelle piante che coltiviamo
per aumentarne la produttività.
Trasporto del bicarbonato
Il primo meccanismo di cattura del carbonio usato dai cianobatteri è
semplice: trasportano il bicarbonato direttamente dentro la cellula.
Nei laghi e negli oceani, la maggior parte della CO2 disciolta reagisce
con le molecole d'acqua per formare ioni bicarbonato solubili.
Dei trasportatori di bicarbonato portano gli ioni bicarbonato nel citoplasma
dove, in seguito, vengono riconvertiti in CO2.
I cianobatteri usano molti tipi di trasportatori di bicarbonato.
Uno di questi è BicA, mostrato qui sopra, si tratta di
una proteina complessa formata da una subuntà dimerica trans-membrana
(file PDB 6ki1) e da una subunità
citoplasmatica (file PDB 6ki2).
Un altro trasportatore di bicarbonato è SbtA che agisce
insieme a SbtB, mostrati più sotto in "Esplorando
la struttura". Entrambi usano ioni sodio per promuovere il trasporto.
 Contenere
la CO2
I cianobatteri usano i carbossisomi per concentrare la CO2 vicino agli
enzimi che la devono usare.
I carbossisomi sono dei grandi gusci proteici, simili alle capsidi dei
virus, come si vede nell'immagine al microscopio elettronico qui a fianco
(EMDB ID 14377).
All'interno del carbossisoma si vedono molte proteine strettamente impaccate,
tra queste c'è la Rubisco (verde, file PDB 7yyo),
l'anidrasi
carbonica (blu, file PDB 8thm),
e molti altri enzimi necessari per il funzionamento del sistema.
Quando il bicarbonato entra nel carbossisoma, viene rapidamente convertito
in CO2 dall'anidrasi carbonica. La Rubisco è posizionata lì
vicino e può fissare la CO2 prima
che si disperda.
 Catturare
la CO2
I cianobatteri usano anche una versione modificata del complesso respiratorio
NDH-1MS per intrappolare la CO2 nella cellula.
NDH-1MS (file PDB 6tjv) ha un modulo (magenta)
che concentra la CO2. Questo agisce in modo simile all'anidrasi carbonica
convertendo la CO2 in bicarbonato.
La CO2 è apolare e piccola e quindi attraversa liberamente la
membrana cellulare, mentre il bicarbonato non può farlo. Così
NDH-1MS converte la CO2 in bicarbonato che resta intrappolato nella
cellula.
Il bicarbonato, poi, entra nei carbossisomi dove viene riconvertito
in CO2 che serve per la fotosintesi.
Esplorando la struttura
Trasportatori di bicarbonato
. . . . . 
I trasportatori di bicarbonato devono essere regolati in modo da fornire
la giusta quantità di CO2 agli enzimi della fotosintesi.
Il trasportatore SbtA è regolato dalla proteina associata
SbtB.
Come si vede nella figura qui sopra a sinistra (file PDB 7egl),
quando c'è bisogno di bicarbonato, tre segmenti (blu) uno per
ognuna delle tre subunità di SbtB assumono una struttura disordinata
lasciando aperti in SbtA i tre canali attraverso i quali può
passare il bicarbonato (forma attiva del trasportatore).
Quando invece AMP si lega a SbtB (in alto sulla destra, file PDB 7cyf
o 7egk), questi tre segmeni (T-loop, blu)
si spostano verso SbtA e chiudono il rispettivo canale (forma inattiva
del trasportatore).
. . . . . . 
In questa immagine realizzata con Chimera si vedono meglio le tre subunità
di SbtA (la protena più in alto), e di SbtB (più in basso).
Si vede che, quando SbtA si lega a AMP (sfere
colorate im alto), i tre segmenti T-loop si protendono verso il basso
e chiudono i tre canali del bicarbonato di SbtB.
Spunti per ulteriori esplorazioni
La struttura atomica completa dei carbossisomi non è ancora del
tutto nota, ma potete vedere la struttura di uno dei suoi vertici nel
file PDB 8wxb e la struttura di un mini-carbossisoma nel file PDB 8b12.
Le piante superiori non hanno questi meccanismi di cattura della CO2,
mentre le alghe verdi li hanno. Per esempio, guardate il file PDB 6bhp
per vedere un canale di alga che si pensa trasporti CO2.
 Bibliografia
7yyo: Evans, S.L., Al-Hazeem, M.M.J., Mann, D., Smetacek, N.,
Beavil, A.J., Sun, Y., Chen, T., Dykes, G.F., Liu, L.N., Bergeron, J.R.C.
(2023) Single-particle cryo-EM analysis of the shell architecture and
internal organization of an intact alpha-carboxysome. Structure 31:
677-688
7egl: Fang, S., Huang, X., Zhang, X., Zhang, M., Hao, Y., Guo,
H., Liu, L.N., Yu, F., Zhang, P. (2021) Molecular mechanism underlying
transport and allosteric inhibition of bicarbonate transporter SbtA.
Proc Natl Acad Sci U S A 118: e2101632118
7cyf: Liu, X.Y., Hou, W.T., Wang, L., Li, B., Chen, Y., Chen,
Y., Jiang, Y.L., Zhou, C.Z. (2021) Structures of cyanobacterial bicarbonate
transporter SbtA and its complex with PII-like SbtB. Cell Discov 7:
63-63
6tjv: Schuller, J.M., Saura, P., Thiemann, J., Schuller, S.K.,
Gamiz-Hernandez, A.P., Kurisu, G., Nowaczyk, M.M., Kaila, V.R.I. (2020)
Redox-coupled proton pumping drives carbon concentration in the photosynthetic
complex I. Nat Commun 11: 494-494
6ki1, 6ki2: Wang, C., Sun, B., Zhang, X., Huang, X., Zhang, M.,
Guo, H., Chen, X., Huang, F., Chen, T., Mi, H., Yu, F., Liu, L.N., Zhang,
P. (2019) Structural mechanism of the active bicarbonate transporter
from cyanobacteria. Nat Plants 5: 1184-1193
Ort, D.R., Merchant, S.S., Alric, J., Barkan, A., Blankenship,
R.E., Bock, R., Croce, R., Hanson, M.R., Hibberd, J.M., Long, S.P.,
Moore, T.A., Moroney, J., Niyogi, K.K., Parry, M.A., Peralta-Yahya,
P.P., Prince, R.C., Redding, K.E., Spalding, M.H., van Wijk, K.J., Vermaas,
W.F., von Caemmerer S., Weber A.P., Yeates T.O., Yuan J.S., Zhu, X.G.
(2015) Redesigning photosynthesis to sustainably meet global food and
bioenergy demand. Proc Natl Acad Sci USA 112: 8529-8536.
Rae, B.D., Long, B.M., Badger, M.R., Price, G.D. (2013). Functions,
compositions, and evolution of the two types of carboxysomes: polyhedral
microcompartments that facilitate CO2 fixation in cyanobacteria and
some proteobacteria. Microbio Mol Biol Rev 77: 357-379
Badger, M.R., Price, G.D. (2003) CO2 concentrating mechanisms
in cyanobacteria: molecular components, their diversity and evolution.
J Exper Botany 54: 609-622
|
|
|
