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Las cianobacterias se acumulan como sumideros de carbono.

Las cianobacterias se acumulan como sumideros de carbono.


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Según algunos científicos, en un momento de la historia de este planeta, las cianobacterias casi llevaron la vida a la extinción al reducirla a una bola de nieve, ya que capturaron grandes cantidades de carbono y lo encerraron.

Hoy nos enfrentamos a un desafío diferente donde tenemos un exceso de dióxido de carbono (y otros gases de efecto invernadero) en la atmósfera que conduce a un planeta más cálido que amenaza a sus habitantes actuales.

Como alguien que estudió física aplicada, tengo muy poca comprensión de cómo funciona la biología celular y molecular. Pero, ¿es una solución viable construir sumideros artificiales de cianobacterias en ambientes controlados en varios lugares del planeta para capturar este exceso de dióxido de carbono? Si no, ¿qué nos detiene?

Podría pensar en algunos desafíos:

  1. Como las cianobacterias necesitan luz solar para capturar carbono, la reacción se limitará a la superficie donde tendremos más luz solar. Pero se puede mejorar la eficiencia construyendo columnas que tengan fuentes de luz integradas (usando solo energía solar / renovable) en varios puntos dentro.
  2. Mantenimiento de estas piscinas / columnas.
  3. Un modelo económico para hacer de este un emprendimiento rentable para las empresas. ¿Se pueden vender por dinero los productos finales producidos por estas bacterias? ¿Pueden servir como ingrediente en alguna otra reacción (rentable)?

El mejor grupo de cianobacterias es el océano mundial.

Ningún hombre, ninguna cantidad de inversión de capital de riesgo, ninguna junta directiva, ningún CEO, ningún CFO, ningún CSO, etc. puede jamás crear, en la Tierra, un equivalente al Océano Mundial.


Charcos de cianobacterias como sumideros de carbono - Biología

En esta era del 'Planeta Verde', las cianobacterias se encuentran en una posición ideal para su explotación como fábricas de células microbianas, tanto para la captura y almacenamiento de carbono como para la producción sostenible de metabolitos secundarios y biocombustibles. La aplicación de tecnologías ómicas a la investigación de cianobacterias ha proporcionado una gran cantidad de información nueva. Sin embargo, para los atareados investigadores de hoy, buscar en la literatura para estar al tanto de los desarrollos actuales puede llevar mucho tiempo. Al compilar y resumir los temas más importantes sobre la ómica y la manipulación de las cianobacterias, los autores de este libro brindan al lector una descripción general oportuna del campo.

Temas cubiertos: El núcleo del genoma de las cianobacterias con un enfoque en metabolitos secundarios Evolución de las cianobacterias Genómica de grupos de genes biosintéticos NRPS / PKS Análisis transcriptómico basado en secuencia de ARN de células cianobacterianas individuales Transcriptómica de las respuestas: genes, sensores y desencadenantes moleculares Análisis transcriptómico y proteómico de ciclos diurnos en cianobacterias fijadoras de nitrógeno análisis proteómico de modificaciones postraduccionales ingeniería metabólica y biología de sistemas para la producción de ácidos grasos libres producción de isopreno producción de etanol: impacto de las ómicas del organismo modelo Synechocystis sobre la ingeniería de mejora del rendimiento de la producción de alcanos, la producción de polihidroxialcanoatos fotoautotróficos.

Este texto de vanguardia servirá como un recurso valioso para todos aquellos que trabajan en este campo y se recomienda para todas las bibliotecas de microbiología.

"algunos capítulos muy bien escritos y muy informativos. Por lo tanto, el libro es un tesoro de información valiosa" de Biospektrum (2017)

(EAN: 9781910190555 9781910190562 Temas: [bacteriología] [microbiología ambiental])


Charcos de cianobacterias como sumideros de carbono - Biología


Para comprender cómo se cicla el carbono y cómo cambiará el CO2 atmosférico en el futuro, los científicos deben estudiar cuidadosamente los lugares en los que se almacena el carbono (depósitos), cuánto tiempo reside allí y los procesos que lo transfieren de un depósito a otro ( flujos). En conjunto, todos los principales depósitos y flujos de carbono en la Tierra comprenden lo que llamamos el ciclo global del carbono.

Como puede imaginar, el ciclo global del carbono real es inmensamente complejo. Incluye cada planta, animal y microbio, cada hoja fotosintetizadora y árbol caído, cada océano, lago, estanque y charco, cada suelo, sedimento y roca carbonatada, cada soplo de aire fresco, erupción volcánica y burbuja que asciende a la superficie de un pantano. , entre mucho, mucho más. Debido a que no podemos lidiar con ese nivel de complejidad, los científicos a menudo describen el ciclo del carbono agrupando objetos o entornos similares en grupos más simples (bosques, pastizales, atmósfera, océano) y centrándose solo en los procesos que son más importantes a escala global. (ver Diagrama del ciclo del carbono global). Como puede imaginar, parte del truco es comprender exactamente cuáles son esos procesos.

La siguiente sección es una breve descripción de algunas de las reservas y flujos importantes en el ciclo global del carbono (y tenga en cuenta que, en nuestra discusión, usaremos los términos reserva, stock y reservorio indistintamente). Pero primero, vale la pena tomarse un momento para considerar los números y las unidades con las que suelen lidiar los científicos. Debido a que las cantidades de carbono en los principales depósitos de carbono de la Tierra pueden ser bastante grandes, es inconveniente utilizar unidades familiares como libras o kilogramos. En su lugar, usamos otras unidades que son más adecuadas para expresar números grandes. Por ejemplo, un petagramo de carbono (Pg), también conocido como Gigaton (Gt), equivale a 10 ^ 15 gramos o mil millones de toneladas. Una tonelada, también conocida como tonelada métrica, equivale a mil kilogramos (1.000 kg). Debido a que un kilogramo es igual a 2.205 libras, una tonelada métrica es igual a 2205 libras. Llevando esto más allá, podemos ver que un petagramo es igual a aproximadamente 2,200,000,000,000 (o 2,2 billones) de libras. Expresar esto como 1 Pg es mucho más simple que trabajar con tantos ceros. Ahora consideraremos el carbono almacenado en la Tierra en cuatro depósitos principales.

Dependiendo de nuestros objetivos, los depósitos de carbono de la Tierra se pueden agrupar en varias categorías diferentes. Aquí, consideraremos cuatro categorías que tienen la mayor relevancia para el ciclo general del carbono. Tenga en cuenta que cualquiera de estos grupos podría dividirse en varias subcategorías, como discutiremos ocasionalmente.

La corteza terrestre: la mayor cantidad de carbono de la Tierra se almacena en rocas sedimentarias dentro de la corteza del planeta. Estas son rocas producidas por el endurecimiento del lodo (que contiene materia orgánica) en lutita durante el tiempo geológico, o por la recolección de partículas de carbonato de calcio, de las conchas y esqueletos de organismos marinos, en piedra caliza y otras rocas sedimentarias que contienen carbono. Juntas, todas las rocas sedimentarias de la Tierra almacenan 100.000.000 PgC. Recordando que 1 Pg es más de dos billones de libras, ¡esto es claramente una gran masa de carbono! Otros 4.000 PgC se almacenan en la corteza terrestre como hidrocarburos formados durante millones de años a partir de organismos vivos antiguos bajo temperaturas y presiones intensas. Estos hidrocarburos se conocen comúnmente como combustibles fósiles.

Océanos: Los océanos de la Tierra contienen 38.000 PgC, la mayoría de los cuales se encuentra en forma de carbono inorgánico disuelto almacenado a grandes profundidades donde reside durante largos períodos de tiempo. Una cantidad mucho menor de carbono, aproximadamente 1000 Pg, se encuentra cerca de la superficie del océano. Este carbono se intercambia rápidamente con la atmósfera a través de procesos físicos, como el gas CO2 que se disuelve en el agua, y procesos biológicos, como el crecimiento, la muerte y la descomposición del plancton. Aunque la mayor parte de este carbono de la superficie se cicla rápidamente, parte de él también se puede transferir al hundirse en la piscina del océano profundo, donde se puede almacenar durante mucho más tiempo.

Atmósfera: La atmósfera contiene aproximadamente 750 PgC, la mayoría de los cuales está en forma de CO2, con cantidades mucho más pequeñas de metano (CH4 y varios otros compuestos). Aunque este es considerablemente menos carbono que el contenido en los océanos o la corteza, el carbono en la atmósfera es de vital importancia debido a su influencia sobre el efecto invernadero y el clima. El tamaño relativamente pequeño de la reserva de C atmosférico también la hace más sensible a las interrupciones causadas por el aumento de fuentes o sumideros de C de las otras piscinas de la Tierra. De hecho, el valor actual de 750 PgC es sustancialmente más alto que el que ocurrió antes del inicio de la quema de combustibles fósiles y la deforestación. Antes de que comenzaran estas actividades, la atmósfera contenía aproximadamente 560 PgC y se cree que este valor es el límite superior normal para la Tierra en condiciones naturales. En el contexto de los depósitos y flujos globales, el aumento que se ha producido en los últimos siglos es el resultado de los flujos de C a la atmósfera desde la corteza (combustibles fósiles) y los ecosistemas terrestres (a través de la deforestación y otras formas de desmonte).

Ecosistemas terrestres: Los ecosistemas terrestres contienen carbono en forma de plantas, animales, suelos y microorganismos (bacterias y hongos). De estos, las plantas y los suelos son, con mucho, los más grandes y, cuando se trata de todo el mundo, a menudo se ignoran las piscinas más pequeñas. A diferencia de la corteza terrestre y los océanos, la mayor parte del carbono de los ecosistemas terrestres existe en formas orgánicas. En este contexto, el término "orgánico" se refiere a compuestos que fueron producidos por seres vivos, incluyendo hojas, madera, raíces, material vegetal muerto y la materia orgánica marrón en los suelos (que son los restos descompuestos de tejidos anteriormente vivos).

Las plantas intercambian carbono con la atmósfera con relativa rapidez a través de la fotosíntesis, en la que el CO2 se absorbe y se convierte en nuevos tejidos vegetales, y la respiración, donde una fracción del CO2 previamente capturado se libera a la atmósfera como producto del metabolismo. De los diversos tipos de tejidos producidos por las plantas, los tallos leñosos, como los producidos por los árboles, tienen la mayor capacidad para almacenar grandes cantidades de carbono. La madera es densa y los árboles pueden ser grandes. En conjunto, las plantas de la Tierra almacenan aproximadamente 560 PgC, siendo la madera de los árboles la fracción más grande.

Se estima que la cantidad total de carbono en los suelos del mundo es de 1500 PgC. Medir el carbono del suelo puede ser un desafío, pero algunas suposiciones básicas pueden hacer que la estimación sea mucho más fácil. Primero, la forma de carbono más prevalente en el suelo es el carbono orgánico derivado de microorganismos y materiales vegetales muertos. En segundo lugar, a medida que aumenta la profundidad del suelo, disminuye la abundancia de carbono orgánico. Las mediciones estándar del suelo generalmente solo se toman a 1 m de profundidad. En la mayoría de los casos, esto captura la fracción dominante de carbono en los suelos, aunque algunos ambientes tienen suelos muy profundos donde esta regla no se aplica. La mayor parte del carbono en los suelos entra en forma de materia vegetal muerta que es degradada por microorganismos durante la descomposición. El proceso de descomposición también liberó carbono a la atmósfera porque el metabolismo de estos microorganismos eventualmente descompone la mayor parte de la materia orgánica en CO2.

El movimiento de cualquier material de un lugar a otro se denomina flujo y normalmente pensamos en un flujo de carbono como una transferencia de carbono de un depósito a otro. Los flujos generalmente se expresan como una tasa con unidades de una cantidad de alguna sustancia que se transfieren durante un cierto período de tiempo (por ejemplo, g cm-2 s-1 o kg km2 año-1). Por ejemplo, el flujo de agua en un río se puede considerar como un flujo que transfiere agua de la tierra al mar y se puede medir en galones por minuto o kilómetros cúbicos por año.

Una única reserva de carbono a menudo puede tener varios flujos que agregan y eliminan carbono simultáneamente. Por ejemplo, la atmósfera tiene entradas de descomposición (CO2 liberado por la descomposición de materia orgánica), incendios forestales y combustión de combustibles fósiles y salidas de crecimiento de plantas y absorción por los océanos. El tamaño de varios flujos puede variar ampliamente. En la sección anterior, discutimos brevemente algunos de los flujos de entrada y salida de varios grupos de C globales. Aquí, prestaremos más atención a algunos de los flujos de C más importantes.

Fotosíntesis: durante la fotosíntesis, las plantas usan la energía de la luz solar para combinar el CO2 de la atmósfera con el agua del suelo para crear carbohidratos (observe que las dos partes de la palabra, carbo- e –hidrato, significan carbono y agua). De esta forma, el CO2 se elimina de la atmósfera y se almacena en la estructura de las plantas. Prácticamente toda la materia orgánica de la Tierra se formó inicialmente a través de este proceso. Debido a que algunas plantas pueden vivir hasta decenas, cientos o incluso miles de años (en el caso de los árboles más longevos), el carbono puede almacenarse o secuestrarse durante períodos de tiempo relativamente largos. Cuando las plantas mueren, sus tejidos permanecen durante una amplia gama de períodos de tiempo. Los tejidos como las hojas, que tienen una alta calidad para los organismos descomponedores, tienden a descomponerse rápidamente, mientras que las estructuras más resistentes, como la madera, pueden persistir mucho más tiempo. Las estimaciones actuales sugieren que la fotosíntesis elimina 120 PgC / año de la atmósfera y alrededor de 610 PgC se almacenan en las plantas en un momento dado.

Respiración de las plantas: las plantas también liberan CO2 a la atmósfera a través del proceso de respiración (el equivalente de la planta a exhalar). La respiración ocurre cuando las células vegetales usan los carbohidratos, producidos durante la fotosíntesis, para obtener energía. La respiración de las plantas representa aproximadamente la mitad (60 PgC / año) del CO2 que se devuelve a la atmósfera en la parte terrestre del ciclo del carbono.

Caída de basura: además de la muerte de plantas enteras, las plantas vivas también pierden parte de sus hojas, raíces y ramas cada año. Debido a que todas las partes de la planta están formadas por carbono, la pérdida de estas partes al suelo es una transferencia de carbono (un flujo) de la planta al suelo. El material vegetal muerto a menudo se conoce como basura (hojarasca, hojarasca de ramas, etc.) y una vez en el suelo, todas las formas de basura comenzarán el proceso de descomposición.

Respiración del suelo: la liberación de CO2 a través de la respiración no es exclusiva de las plantas, sino que es algo que hacen todos los organismos. Cuando la materia orgánica muerta se descompone o se descompone (consumida por bacterias y hongos), el CO2 se libera a la atmósfera a una tasa promedio de alrededor de 60 PgC / año a nivel mundial. Debido a que una planta puede tardar años en descomponerse (o décadas en el caso de árboles grandes), el carbono se almacena temporalmente en la materia orgánica del suelo.

Intercambio océano-atmósfera: el carbono inorgánico se absorbe y libera en la interfaz de la superficie de los océanos y el aire circundante, a través del proceso de difusión. Puede que no parezca obvio que los gases puedan disolverse o liberarse del agua, pero esto es lo que conduce a la formación de burbujas que aparecen en un vaso de agua que se deja reposar durante un período de tiempo suficiente. El aire contenido en esas burbujas incluye CO2 y este mismo proceso es el primer paso en la absorción de carbono por los océanos. Una vez disuelto, el CO2 reacciona con el agua en lo que se conoce como reacciones de carbonato. Estas son reacciones químicas relativamente simples en las que H2O y CO2 se unen para formar H2CO3 (también conocido como ácido carbónico, cuyo anión, CO3, se llama carbonato). La formación de carbonato en el agua de mar permite que los océanos absorban y almacenen una cantidad mucho mayor de carbono de lo que sería posible si el CO2 disuelto permaneciera en esa forma. El carbonato también es importante para una gran cantidad de organismos marinos que utilizan esta forma mineral de carbono para construir conchas.

El carbono también se cicla a través del océano mediante los procesos biológicos de fotosíntesis, respiración y descomposición de las plantas acuáticas. En contraste con la vegetación terrestre, está la velocidad a la que se descomponen los organismos marinos. Debido a que las plantas oceánicas no tienen troncos leñosos grandes que tarden años en descomponerse, el proceso ocurre mucho más rápidamente en los océanos que en la tierra, a menudo en cuestión de días. Por esta razón, se almacena muy poco carbono en el océano a través de procesos biológicos. La cantidad total de absorción de carbono (92 Pg C) y pérdida de carbono (90 PgC) del océano depende del equilibrio de los procesos orgánicos e inorgánicos.

La combustión de combustibles fósiles y el cambio de la cubierta terrestre: los flujos de carbono discutidos hasta ahora involucran procesos naturales que han ayudado a regular el ciclo del carbono y los niveles de CO2 atmosférico durante millones de años. Sin embargo, el ciclo del carbono actual también incluye varios flujos importantes que se derivan de las actividades humanas. El más importante de ellos es la combustión de combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas natural. Estos materiales contienen carbono que fue capturado por organismos vivos durante períodos de millones de años y se ha almacenado en varios lugares dentro de la corteza terrestre (ver cuadro de texto adjunto). Sin embargo, desde el inicio de la revolución industrial, estos combustibles se han extraído y quemado a un ritmo cada vez mayor y han servido como fuente primaria de energía que impulsa la civilización humana industrial moderna. Debido a que el principal subproducto de la combustión de combustibles fósiles es el CO2, estas actividades pueden verse en términos geológicos como un flujo nuevo y relativamente rápido a la atmósfera de grandes cantidades de carbono. En la actualidad, la combustión de combustibles fósiles representa un flujo a la atmósfera de aproximadamente 6-8 PgC / año.

Otra actividad humana que ha provocado un flujo de carbono a la atmósfera es el cambio de cobertura del suelo, principalmente en forma de deforestación. Con la expansión de la población humana y el crecimiento de los asentamientos humanos, una cantidad considerable de la superficie terrestre de la Tierra se ha convertido de ecosistemas nativos a granjas y áreas urbanas. Los bosques nativos en muchas áreas han sido talados para obtener madera o quemados para convertirlos en granjas y pastizales. Debido a que los bosques y otros ecosistemas nativos generalmente contienen más carbono (tanto en los tejidos de las plantas como en los suelos) que los tipos de cobertura con los que han sido reemplazados, estos cambios han resultado en un flujo neto a la atmósfera de aproximadamente 1.5 PgC / año. En algunas áreas, la regeneración de bosques a partir de actividades pasadas de desmonte de tierras puede representar un sumidero de carbono (como en el caso del crecimiento de los bosques después del abandono de granjas en el este de América del Norte), pero el efecto neto de todas las conversiones de la cubierta terrestre inducidas por el hombre a nivel mundial representa una fuente a la atmósfera.

Procesos geológicos: Los procesos geológicos representan un control importante del ciclo del carbono de la Tierra en escalas de tiempo de cientos de millones de años. Una discusión exhaustiva del ciclo geológico del carbono está más allá del alcance de esta introducción, pero los procesos involucrados incluyen la formación de rocas sedimentarias y su reciclaje a través de la tectónica de placas, la meteorización y las erupciones volcánicas.

Para mirar un poco más de cerca, las rocas en la tierra son descompuestas por la atmósfera, la lluvia y el agua subterránea en pequeñas partículas y materiales disueltos, un proceso conocido como meteorización. Estos materiales se combinan con partículas de plantas y suelo que resultan de la descomposición y la erosión de la superficie y luego se transportan al océano donde las partículas más grandes se depositan cerca de la costa. Lentamente, estos sedimentos se acumulan, enterrando los sedimentos más antiguos debajo. La formación de capas de sedimentos hace que se acumule presión y, finalmente, se vuelve tan grande que los sedimentos más profundos se convierten en rocas, como esquisto. Dentro del agua del océano, los materiales disueltos se mezclan con el agua de mar y son utilizados por la vida marina para producir esqueletos y conchas de carbonato de calcio (CaCO3). Cuando estos organismos mueren, sus esqueletos y conchas se hunden hasta el fondo del océano. En aguas poco profundas (menos de 4 km) el carbonato se acumula y eventualmente forma otro tipo de roca sedimentaria llamada piedra caliza.

En conjunto, estos procesos convierten el carbono que inicialmente estaba contenido en los organismos vivos en rocas sedimentarias dentro de la corteza terrestre. Una vez allí, estos materiales continúan moviéndose y transformándose a través del proceso de tectónica de placas, levantamiento de rocas contenidas en las placas más ligeras y fusión de rocas en las placas más pesadas a medida que son empujadas profundamente bajo la superficie. Estos materiales derretidos pueden eventualmente resultar en la emisión de carbono gaseoso a la atmósfera a través de erupciones volcánicas, completando así el ciclo. Aunque el reciclaje de carbono a través de rocas sedimentarias es vital para la capacidad a largo plazo de nuestro planeta para sustentar la vida, el ciclo geológico se mueve tan lentamente que estos flujos son pequeños anualmente y tienen poco efecto en una escala de tiempo humana.


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Las vías de bioproducción heterólogas mejoran la fotosíntesis y la fotoprotección de las cianobacterias

Dos vías metabólicas introducidas en las cianobacterias aumentan su rendimiento de fotosíntesis y brindan protección parcial contra los efectos negativos del exceso de absorción de luz.

La cadena de transporte de electrones de las cianobacterias se modificó eliminando los mecanismos fotoprotectores (proteínas de flavodiiron FDP) y agregando dos sumideros heterólogos (sacarosa y citocromo P450). Como consecuencia, se detectó un aumento en la eficiencia fotosintética, acompañado de una mejora en la producción de sacarosa. La eliminación efectiva de electrones por estos dos sumideros heterólogos proporcionó algunos beneficios en la protección de los fotosistemas (por ejemplo, PSI) contra la luz fluctuante.

Logro científico

Se introdujeron dos vías metabólicas exógenas en las cianobacterias y se demostró que aumentan su rendimiento fotosintético. Estas vías parecen proteger parcialmente a las cianobacterias de los efectos negativos del exceso de absorción de luz.

Importancia e impacto

Aplicaciones biotecnológicas de cianobacterias (p.ej., producción de biocombustibles) requieren una mayor productividad para ser económicamente competitivos con los métodos de producción actuales. Maximizar la eficiencia fotosintética de las cianobacterias es un gran desafío que, por lo tanto, está ligado a la viabilidad económica de la bioproducción sostenible.

Detalles de la investigación

  • Esta investigación sirve como evidencia adicional de que la ingeniería y los sumideros quometabólicos pueden mejorar la capacidad fotosintética y la fotoprotección en las cianobacterias.
  • El equipo de investigación utilizó Synechococcuselongatus PCC 7942 para recablear el flujo de electrones lejos de los mecanismos de disipación de energía endógena (proteínas flavodiiron), y hacia sumideros metabólicos heterólogos (producción de sacarosa y citocromo P450, capaces de degradar el herbicida atrazina). Estos mecanismos de disipación compiten con la fotoquímica, reduciendo de forma inherente la eficiencia fotosintética, y la energía que consumen se puede convertir eficazmente en productos metabólicos útiles a través de vías heterólogas.
  • La activación de ambas vías heterólogas tuvo efectos beneficiosos sobre la fotosíntesis, aunque con distinciones en cuanto a las mejoras específicas observadas. La exportación de sacarosa se asoció con un rendimiento cuántico mejorado de PSII y un flujo de cadena de transporte de electrones mejorado con poca luz, mientras que la actividad del citocromo P450 condujo a mejoras fotosintéticas observadas principalmente con mucha luz.
  • La coexpresión de ambos sumideros metabólicos mostró impactos aditivos en la fotosíntesis, lo que indica que ninguno de los sumideros por sí solo podría utilizar la & ldquoovercapacity & rdquo completa de la cadena de transporte de electrones.
  • Además, cuando se activaron ambos sumideros metabólicos, se observó un efecto fotoprotector. Los sumideros metabólicos podrían proteger parcialmente el fotosistema I en ausencia de proteínas fotoprotectoras nativas.

Personas relacionadas: Mar & iacutea Santos-Merino, Alejandro Torrado, Geoffry A. Davis, Annika R & oumlttig, Thomas S. Bibby, David M. Kramer y Daniel C. Ducat (CA)


Discusión

Durante este estudio, diseñamos la cianobacteria de rápido crecimiento Synechococcus UTEX 2973 para producir sacarosa. Al sobreexpresar la sacarosa permeasa CscB, la cepa diseñada produjo más de 8 g L -1 de sacarosa con la productividad más alta de 1,9 g L -1 día -1 en 4 días (Fig. 2A). Sorprendentemente, se produjo una cantidad significativa de sacarosa en la fase de crecimiento estacionario. Desde el día 2 al día 5, se produjeron 5,8 g L -1 de sacarosa, mientras que la biomasa celular aumentó solo 0,7 g L -1 (Fig. 2C). Casi el 90% del carbono fotosintético se dirigió a la síntesis de sacarosa. Sorprendentemente, el sombreado automático de la luz en cultivos celulares densos no tuvo un impacto significativo en la producción de sacarosa. Razonamos que la alta productividad de la sacarosa es el resultado del empuje y tracción de los flujos de carbono hacia la síntesis de sacarosa. En Synechococcus 2973, la alta eficiencia fotosintética 16 y las fuertes vías de los fosfatos de azúcar 15 proporcionan una fuerte fuerza de empuje para la producción de sacarosa. Mientras tanto, la expresión de la sacarosa permeasa CscB genera un sumidero de carbono al exportar sacarosa fuera de las células, lo que resulta en una producción continua de sacarosa para evitar la desecación en condiciones de estrés salino.

En comparación con todos los demás productos químicos producidos a partir de cianobacterias, la producción de sacarosa en este estudio tiene la mayor productividad. Además, este es el primer estudio que demuestra que las cianobacterias pueden producir una sustancia química con una tasa superior a 1 g L -1 día -1 utilizando luz y CO2. Un estudio reciente informó 12,6 g L -1 de producción de 2,3-butanodiol con una tasa de 1,1 g L -1 día -1 de Synechococcus 7942 22. Sin embargo, la cepa se cultivó en condiciones fotomixotróficas con 15 g L -1 de glucosa añadidos como fuente de carbono adicional. La producción de sacarosa en Synechococcus 2973 en el estudio actual utilizó CO2 como única fuente de carbono.

Diseñado previamente Synechococcus 2973 5 produjo sacarosa a 0,9 g L −1 día −1, que es 2,1 veces menor que la de nuestro 2973-cscB deformación (Fig. suplementaria S1). La discrepancia entre los dos estudios se debe presumiblemente a diferencias en el diseño de la cepa y las condiciones experimentales. En su estudio, el cscB fue controlado por un E. coli el promotor trp / lac 17, mientras que el 2973-cscB cepa en nuestro estudio utilizó el lacUV5 promotor para expresar cscB 13. Además, la preparación del inóculo y las condiciones experimentales son diferentes. Sus experimentos se iniciaron por inducción de sal de cultivos de fase exponencial tardía (biomasa celular = 1,9 g L -1 de peso seco) 5. Los cultivos se cultivaron en CO al 3%2 y 250 μmol de fotones m −2 s −1 de luz en un biorreactor de columna 5. En nuestro estudio, el 2973-cscB La cepa se aclimató primero en medio BG11 con NaCl 150 mM durante 24 horas, y los experimentos se iniciaron a una DO730 de 0.05 (equivalente a 0.06 g L −1 de peso seco) con inducción IPTG. El 2973-cscB La cepa se cultivó en 0.5-0.6% CO2 y fotones de 250 μmol m −2 s −1 de luz en matraces agitadores. Razonamos que la aclimatación de las células al medio de estrés salino permitió al cscB-expresión de cepa para producir una mayor cantidad de sacarosa. Dado que el estrés salino inhibe la actividad de los fotosistemas 23 y perjudica el crecimiento de Synechococcus 2973 (Fig. 2B), la estrategia de inducción de sal informada anteriormente puede no ser capaz de desbloquear el potencial de producción de sacarosa en Synechococcus 2973. La elección del promotor para cscB La estrategia de expresión y aclimatación a la sal en nuestro estudio ha llevado a una mayor productividad de sacarosa por Synechococcus 2973.

Los niveles de glucógeno y sacarosa son opuestos cuando el 2973-cscB se cultivaron con o sin estrés salino (Fig. 3B, C). Esto sugiere que las síntesis de glucógeno y sacarosa compiten por sustratos de carbono, y la competencia puede verse afectada por las condiciones de los medios de cultivo. Los resultados semicuantitativos de RT-PCR mostraron que el sps El gen se incrementó significativamente por inducción de sal (Fig. 3D), lo que condujo a un aumento significativo en la producción de sacarosa (Fig. 3B). Sin embargo, la expresión de los genes de síntesis de glucógeno (glgC y glgA) permaneció similar tras la inducción de sal (Fig. 3D), lo que indica que la disminución del contenido de glucógeno no se debió a la regulación a la baja de la síntesis de glucógeno. Esto también sugiere que la vía biosintética de sacarosa es más eficiente que la vía de síntesis de glucógeno en la utilización de sustratos de carbono en el 2973-cscB cepa. De hecho, nuestros resultados corroboran el hallazgo de que la eliminación de la vía de síntesis de glucógeno ha conducido a una mejora limitada en la producción de sacarosa en las cianobacterias 13. Dado que se produce una cantidad insignificante de glucógeno en condiciones de estrés salino (Fig. 3C), es poco probable que el título de sacarosa mejore más mediante la eliminación de la ruta del glucógeno. De hecho, un estudio reciente informó que la síntesis de glucógeno puede servir como reserva de carbono para la producción de sacarosa en las cianobacterias 24. Mediante el uso de un sistema de riboswitch inducido por teofilina, se redujo la expresión de glgC condujo a una disminución del título de sacarosa en Synechococcus 7942 24 .

Al sobreexpresar los genes de biosíntesis de sacarosa, la producción de sacarosa de 2973-cscB las células aumentaron significativamente en medio BG11 (Fig. 4B). Este es el primer estudio en diseñar cianobacterias para la producción de sacarosa sin inducción de estrés salino. Las cianobacterias productoras de sacarosa se pueden utilizar como materia prima de carbono para que los heterótrofos produzcan productos químicos útiles [25]. Sin embargo, los medios de estrés salino pueden no ser compatibles con los medios de cultivo para heterótrofos. La ingeniería de una cepa productora de sacarosa sin la necesidad de inducción de sal podría ampliar la aplicación del uso de cianobacterias para sistemas de cocultivo. Expresión de sps y spp mejoró el título de sacarosa en 23 veces con una productividad de 1,1 g L -1 día -1 (Fig. 4B). Con o sin adición de IPTG 1 mM, el sps La cepa produjo cantidades similares de sacarosa (1.6–1.8 g L -1). En particular, la producción de sacarosa del sps-spp Las cepas de coexpresión fueron 1,2 g L -1 y 3,4 g L -1 con o sin adición de IPTG, respectivamente (Fig. 4B). La productividad aumentó 2,9 veces en ausencia de IPTG, lo que sugiere que el nivel de expresión de spp afecta en gran medida el título de sacarosa. los cscB y sps-spp Los genes estaban controlados por promotores inducibles por IPTG, mientras que sólo una copia del lacI El gen represor se expresó en la cepa (Figuras 1B y 4A). La cantidad de represor LacI puede ser insuficiente para controlar la expresión génica de los 3 genes. Por tanto, la expresión con fugas de los genes (cscB, sps y spp) condujo a una menor expresión génica pero mejoró significativamente la producción de sacarosa en comparación con la inducción completa de la spp gen en el presente de IPTG 1 mM (Fig. 4B). También observamos un crecimiento deficiente de la sps-spp cepa con inducción de IPTG 1 mM (Tabla complementaria S2), lo que sugiere que la sobreexpresión de la spp El gen puede causar toxicidad celular y reducir la productividad de la sacarosa. Se sabe que SPS es la enzima que limita la velocidad de la biosíntesis de sacarosa en cianobacterias 14. Nuestros resultados sugieren que SPP también juega un papel importante en la producción de sacarosa, ya que su nivel de expresión es crítico para mejorar la producción de sacarosa.


Los sistemas forestales cubren más de 4,1 x 109 hectáreas de la superficie terrestre de la Tierra. A nivel mundial, la vegetación y los suelos forestales contienen alrededor de 1146 petagramos de carbono, con aproximadamente el 37 por ciento de este carbono en los bosques de latitudes bajas, el 14 por ciento en latitudes medias y el 49 por ciento en latitudes altas. Más de dos tercios del carbono de los ecosistemas forestales está contenido en suelos y depósitos de turba asociados. En 1990, la deforestación en las latitudes bajas emitió 1,6 ± 0,4 petagramos de carbono por año, mientras que la expansión del área forestal y el crecimiento en los bosques de latitudes medias y altas secuestraron 0,7 ± 0,2 petagramos de carbono por año, para un flujo neto a la atmósfera de 0,9 ± 0,4 petagramos de carbono por año. La desaceleración de la deforestación, combinada con un aumento de la forestación y otras medidas de gestión para mejorar la productividad del ecosistema forestal, podría conservar o secuestrar cantidades significativas de carbono. Las tendencias futuras del ciclo del carbono forestal atribuibles a las pérdidas y el recrecimiento asociados con el cambio climático global y el uso de la tierra son inciertas. Model projections and some results suggest that forests could be carbon sinks or sources in the future.

Ciencias

Vol 263, Issue 5144
14 January 1994

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By R. K. Dixon , A. M. Solomon , S. Brown , R. A. Houghton , M. C. Trexier , J. Wisniewski

Ciencias 14 Jan 1994 : 185-190


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Phycobilisome breakdown effector NblD is required to maintain the cellular amino acid composition during nitrogen starvation

Small proteins are critically involved in the acclimation response of photosynthetic cyanobacteria to nitrogen starvation. NblD is the 66-amino-acid effector of nitrogen-limitation-induced phycobilisome breakdown, which is believed to replenish the cellular amino acid pools. To address the physiological functions of NblD, the concentrations of amino acids, intermediates of the arginine catabolism pathway and several organic acids were measured during the response to nitrogen starvation in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 wild type and in an nblD deletion strain. A characteristic signature of metabolite pool composition was identified, which shows that NblD-mediated phycobilisome degradation is required to maintain the cellular amino acid and organic acid pools during nitrogen starvation. Specific deviations from the wild type suggest wider-reaching effects that also affect such processes as redox homeostasis via glutathione and tetrapyrrole biosynthesis, both of which are linked to the strongly decreased glutamate pool, and transcriptional reprogramming via an enhanced concentration of 2-oxoglutarate, the metabolite co-regulator of the NtcA transcription factor. The essential role played by NblD in metabolic homeostasis is consistent with the widespread occurrence of NblD throughout the cyanobacterial radiation and the previously observed strong positive selection for the nblD gene under fluctuating nitrogen supply.

Importancia Cyanobacteria play important roles in the global carbon and nitrogen cycles. In their natural environment, these organisms are exposed to fluctuating nutrient conditions. Nitrogen starvation induces a coordinated nitrogen-saving program that includes the breakdown of nitrogen-rich photosynthetic pigments, particularly phycobiliproteins. The small protein NblD was recently identified as an effector of phycobilisome breakdown in cyanobacteria. In this study, we demonstrate that the NblD-mediated degradation of phycobiliproteins is needed to sustain cellular pools of soluble amino acids and other crucial metabolites. The essential role played by NblD in metabolic homeostasis explains why genes encoding this small protein are conserved in almost all members of cyanobacterial radiation.


ELife digest

Cyanobacteria are microorganisms that live in water and, like plants, they capture energy from the sun to convert carbon dioxide into sugars and other useful compounds. This process—called photosynthesis—releases oxygen as a by-product. Cyanobacteria were crucial in making the atmosphere of the early Earth habitable for other organisms, and they created the vast carbon-rich deposits that now supply us with fossil fuels. Modern cyanobacteria continue to sustain life on Earth by providing oxygen and food for other organisms, and researchers are trying to bioengineer cyanobacteria to produce alternative, cleaner, fuels.

Understanding how cyanobacteria can be as efficient as possible at harnessing sunlight to ‘fix’ carbon dioxide into carbon-rich molecules is an important step in this endeavor. Carbon dioxide can readily pass through cell membranes, so instead cyanobacteria accumulate molecules of bicarbonate inside their cells. This molecule is then converted back into carbon dioxide by an enzyme found in specials compartments within cells called carboxysomes. The enzyme that fixes the carbon is also found in the carboxysomes. However, several important details in this process are not fully understood.

Here, Mangan and Brenner further extend a mathematical model of the mechanism that cyanobacteria use to concentrate carbon dioxide in order to explore the factors that optimize carbon fixation by these microorganisms. Carbon fixation is deemed efficient when there is more carbon dioxide in the carboxysome than the carbon-fixing enzyme can immediately use (which also avoids wasteful side-reactions that use oxygen instead of carbon dioxide). However, there should not be too much bicarbonate, otherwise the enzyme that converts it to carbon dioxide is overwhelmed and cannot take advantage of the extra bicarbonate.

Mangan and Brenner's model based the rates that carbon dioxide and bicarbonate could move in and out of the cell, and the rates that the two enzymes work, on previously published experiments. The model varied the location of the enzymes (either free in the cell or inside a carboxysome), and the rate at which carbon dioxide and bicarbonate could diffuse in and out of the carboxysome (the carboxysome's permeability). Mangan and Brenner found that containing the enzymes within a carboxysome increased the concentration of carbon dioxide inside the cell by an order of magnitude. The model also revealed the optimal permeability for the carboxysome outer-shell that would maximize carbon fixation.

In addition to being of interest to researchers working on biofuels, if the model can be adapted to work for plant photosynthesis, it may help efforts to boost crop production to feed the world’s growing population.


How ocean bacterium turns carbon into fuel

Reduce. Reuse. Reciclar. We hear this mantra time and again. When it comes to carbon&lsaquothe "Most Wanted" element in terms of climate change&lsaquonature has got reuse and recycle covered. However, it's up to us to reduce. Scientists at Harvard Medical School are trying to meet this challenge by learning more about the carbon cycle, that is, the process by which carbon moves from the atmosphere into plants, oceans, soils, the earth's crust, and back into the atmosphere again.

One of the biggest movers and shakers is the lowly cyanobacteria, an ocean-dwelling, one-celled organism. Pamela Silver, HMS professor of systems biology, and colleagues have uncovered details about how this bacteria fixes, or digests, carbon. These bacteria build miniature factories inside themselves that turn carbon into fuel.

Silver and her colleagues report that the bacteria organize these factories spatially, revealing a structural sophistication not often seen in single-celled organisms. This regular and predictable spacing improves the efficiency of carbon processing. In the future, an understanding of the mechanisms that govern this spatial organization may help improve the efficiency of designer bacteria engineered to produce carbon-neutral fuels such as biodiesel and hydrogen.

These findings will be published online March 5 in the journal Ciencias.

The rod-shaped cyanobacteria are among the most abundant organisms on earth. Forty percent of the carbon in the carbon cycle is reused and recycled through these tiny creatures. To process carbon, cyanobacteria build soccer-ball-shaped structures inside themselves called carboxysomes. These tiny factories absorb carbon dioxide and convert it into sugar, which the bacteria then use to produce energy.

"The ocean is just packed with these bacteria. By studying them, we're understanding more about how the earth works," said Silver, who is also on the faculty of the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at HMS. "I'm blown away by what's happening in the ocean and what we don't understand about it. There are a lot of things in the ocean that are going to be useful to us."

The research team, led by co-first authors, research fellows David Savage and Bruno Afonso, attached a fluorescent tag to proteins involved in building the carboxysome, then grew the tagged bacteria under a microscope.

The resulting images revealed that, instead of being randomly numbered and haphazardly placed, cyanobacteria build carboxysomes in numbers that scale with their size, and they space the factories evenly along their length. (see image, end of release)

The finding adds evidence for new ways to think about bacteria. "We had this idea of bacteria as a bag of enzymes, but that has been completely shattered," said Afonso. A single protein, called parA, acts as a kind of inner-bacterium stage manager, arranging the carboxysomes in a neat, single-file row, the researchers found. When they disabled the bacteria's ability to make the protein, the carboxysomes were distributed far more randomly.

The cyanobacteria lacking parA were also less "fit" for survival, said Savage. While wild-type bacteria cells have a consistent number of carboyxsomes, which in turn optimizes carbon processing and fitness, the knockout bacterium created daughter cells whose numbers of carboxysomes ranged from none to an excess. The daughter cells with few or no carboxysomes divide more slowly and also process fifty percent less carbon than daughter cells at the other end of the spectrum.

By tagging parA in wild-type bacteria, they discovered interesting dynamics in the protein. Thousands of parA proteins repeatedly cluster together and shoot quickly from one end of the bacterium to the other.

"It's amazing that you can generate this regularity and symmetry potentially from a single protein," said Savage. "It's amazing that it is somehow tuned by the dynamics of the protein." The researchers have not yet identified the exact mechanism parA uses to govern the spacing.

Many other bacteria also have the parA protein, which is known for separating chromosomes during cell division. "This work highlights how bacteria cobble together spare parts to achieve similar goals such as organization and segregation," said David Rudner, HMS assistant professor of microbiology and molecular genetics, who was not involved in the study.

These findings may help synthetic biologists one day create designer bacteria.

"Knowledge about how cells create and deploy specialized factories like the carboxysome opens the way to creating other kinds of mini factories that could perform useful functions," said Richard Losick, Harvard University professor of molecular and cellular biology, who was not involved in the study.

Silver's lab is looking into whether the carboxysome might be useful for optimizing the production of hydrogen by engineered bacteria. One challenge in designing hydrogen-producing bacteria is that the enzymes that produce hydrogen are sensitive to oxygen. The carboxysome may help solve this problem because its outer shell blocks out oxygen, protecting the enzymes inside from its toxic effects.

This research was funded by the US Army Research Office.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Escuela Médica de Harvard. Original written by Elizabeth Dougherty. Nota: El contenido puede editarse por estilo y longitud.