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Rendimiento de oxígeno fotosintético de cianobacterias

Rendimiento de oxígeno fotosintético de cianobacterias


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De alguna manera no estoy convencido de que los factores bióticos sean los únicos responsables de crear el 21% de la atmósfera (alrededor de 40 millones de moles de oxígeno). Puede haber problemas adicionales aquí. Dado que las cianobacterias producen oxígeno, debería haber desarrollado mecanismos antioxidantes. Para cuando florecieron las cianobacterias, algunos heterótrofos dependientes deben haber evolucionado y también necesitarían antioxidantes, ya que se espera que prosperen en las proximidades de los autótrofos. Existe la posibilidad de que la respiración aeróbica evolucionase conjuntamente con la oxigénesis biótica. Esto habría retrasado aún más la acumulación de oxígeno en la atmósfera.

¿Alguien tiene una idea de cuál es la tasa de producción de oxígeno fotosintético por gramo de biomasa de cianobacterias? Dado que la fotosíntesis debe haber ocurrido principalmente en la superficie del agua (zona limnética), la biomasa total estaría restringida. Entonces podría ser posible calcular el tiempo necesario para alcanzar los niveles de oxígeno del 21%.

Esta medida puede indicar si la teoría actual es plausible o no.


Este es un estudio sobre el O2 tasa de producción de una de las especies de cianobacterias de más rápido crecimiento. La teoría no es solo una idea de alguien, es una conclusión a partir de las tendencias que se descubrieron durante el curso de la realización de innumerables experimentos.


Las cianobacterias como biocatalizadores fotosintéticos: una perspectiva de la biología de sistemas †

Steinn Gudmundsson ay Juan Nogales * b
a Centro de Biología de Sistemas, Universidad de Islandia, Sturlugata 8, 101 Reykjavik, Islandia
b Departamento de Biología Ambiental, Centro de Investigaciones Biológicas-CSIC, Ramiro de Maeztu 9, 28040 Madrid, España. Correo electrónico: [email protected]

Publicado por primera vez el 3 de noviembre de 2014

La creciente necesidad de reemplazar los productos a base de aceite y abordar las preocupaciones del cambio climático global ha despertado un interés considerable en los microorganismos fotosintéticos. Las cianobacterias, en particular, tienen un gran potencial como biocatalizadores para combustibles y productos químicos finos. Durante los últimos años las aplicaciones biotecnológicas de las cianobacterias han experimentado un incremento sin precedentes y el uso de estos organismos fotosintéticos para la producción química se está convirtiendo en una realidad tangible. Sin embargo, el campo aún es inmaduro y persisten muchas preocupaciones sobre la viabilidad económica del potencial biotecnológico de las cianobacterias. En esta revisión describimos los éxitos recientes en la producción de biocombustibles y química fina utilizando cianobacterias. Discutimos el papel del metabolismo fotosintético y destacamos la necesidad de optimización metabólica a nivel de sistemas para lograr el verdadero potencial de los biocatalizadores de cianobacterias.

Steinn Gudmundsson es profesora asistente de Ciencias de la Computación en la Universidad de Islandia. Su investigación se centra en modelos basados ​​en restricciones de redes metabólicas, desarrollo de algoritmos y las aplicaciones de dichos modelos en ciencia e ingeniería básicas. Estudió Ingeniería en la Universidad de Islandia y la Universidad Técnica de Dinamarca. Recibió su doctorado en ciencias de la computación de la Universidad de Islandia por su trabajo en aprendizaje automático y análisis de series de tiempo. Durante un breve período como postdoctorado en el Centro de Biología de Sistemas de la Universidad de Islandia, se interesó por la biología de sistemas y desde entonces ha estado trabajando en modelos de organismos fototróficos y el metabolismo humano.

Juan Nogales es investigador postdoctoral en el Departamento de Biología Ambiental del CIB-CSIC de Madrid (España). Su investigación se centra en el estudio del metabolismo microbiano a nivel de sistemas y sus implicaciones biotecnológicas. Estudió Biología y Bioquímica en la Universidad de Extremadura y se doctoró en Bioquímica y Biología Molecular con especialización en biodegradación microbiana por la Universidad Complutense de Madrid (España). Su formación postdoctoral la realizó en la Universidad de Islandia (Islandia) y la Universidad de California, San Diego (EE. UU.), Donde profundizó en los enfoques de la biología de sistemas para la comprensión completa del metabolismo fototrófico y su potencial biotecnológico.


Introducción

Una amplia gama de aplicaciones de sostenibilidad subrayan el importante papel de los microorganismos oxifototróficos (en particular, las cianobacterias y las algas verdes) en la investigación actual en biotecnología y biología sintética [1, 2]. Para tales aplicaciones, se desean organismos que conviertan la energía solar en energía libre de químicos con la mayor eficiencia posible. En el caso de la aplicación directa de energía solar para el cultivo de algas, es necesario tener en cuenta una serie de variables, como la temperatura, el intercambio de gases, la densidad de las algas, el espesor de la capa y los regímenes de mezcla [3,4]. Además, la iluminación solar como tal es muy variable de varias formas: ritmos sinusoidales día / noche, además de cambios superpuestos en la intensidad de la luz debido a cielos nublados y (auto) sombreado [5]. Combinadas, todas estas variables presentan un gran desafío tecnológico para determinar el rendimiento del crecimiento fototrópico en luz en condiciones relevantes. En la mayor parte de la literatura sobre biotecnología de "algas", los rendimientos de biomasa en luz se describen como biomasa por dosis de luz diaria total acumulada [3,6,7]. Sin embargo, la explotación óptima del potencial de crecimiento de un organismo depende en gran medida de cómo se pueden ajustar las propiedades inherentes de los biorreactores para adaptarse de manera óptima. Un enfoque alternativo comúnmente utilizado para la determinación de la eficiencia del crecimiento en la luz es la técnica de fluorimetría modulada en amplitud de pulso, que estima el rendimiento cuántico del fotosistema II (PSII) [5,8-10]. Al revisar una serie de publicaciones, surgen valores de rendimiento cuántico aparente bastante diferentes cuando se comparan plantas (tan alto como 0,8 [11-13]), algas verdes (alrededor de 0,7 [14,15]) y cianobacterias (alrededor de 0,4 [16,17 ]). Estas diferencias bastante grandes en el rendimiento cuántico aparente entre clados de fotótrofos oxigenados se han estudiado previamente y los valores bajos en cianobacterias se han atribuido principalmente a la interferencia de la fluorescencia emitida por las antenas recolectoras de luz del ficobilisoma [18-20]. En consecuencia, argumentamos que los valores de rendimiento cuántico de PSII como tales no son una medida correcta para comparar la eficiencia fotosintética general de diferentes fotótrofos oxigenados. De hecho, las cianobacterias corren el riesgo de ser marcadas incorrectamente como menos eficientes [21]. A pesar de esto, el uso del método PAM puede ser muy útil para la gestión de cultivos en masa de algas y cianobacterias, siempre que los datos se utilicen para la comparación cualitativa del rendimiento del crecimiento para cada cepa individualmente.

Con esa restricción, los análisis detallados de la señal PAM (y su dinámica) se pueden utilizar como una técnica informadora cualitativa para una serie de características fisiológicas de la fotosíntesis oxigenada basada en clorofila. Algunos ejemplos son: el nivel de extinción fotoquímica y no fotoquímica [22], las tasas de transferencia de electrones lineal y cíclica alrededor de PSI [23,24] y la máxima eficiencia de la fotoquímica / separación de carga en PSII, denominada rendimiento cuántico de PSII ϕPSII [25]. Se ha establecido un protocolo generalmente aceptado para las mediciones de PAM, en combinación con una nomenclatura asociada [26]. Aquí, la fluorescencia variable de PSII se determina mediante la comparación de la fluorescencia mínima después de la incubación en la oscuridad (F0), reflejando un estado en el que todos los centros de PSII están abiertos, la fluorescencia máxima observada cuando el PSII está saturado con un pulso de luz intenso (FMETRO), reflejando un estado en el que todos los centros PSII están cerrados, y la señal de fluorescencia modulada en presencia de luz actínica (F) que se encuentra entre ambos límites.

Para los cloroplastos de plantas y algas verdes, los supuestos inherentes a esta técnica son generalmente aceptados y se han aplicado ampliamente [9,22,27,28]. Sin embargo, en las cianobacterias, la medición sencilla y similar de las señales que se originan a partir de la fluorescencia variable derivada de PSII se ve obstaculizada por la presencia de: 1) la fluorescencia de fondo no variable interferente de los sistemas de antena de ficobilisomas específicos de las cianobacterias [19,20] 2) el flujo de electrones respiratorios que se superpone con el flujo de electrones fotosintéticos en la membrana tilacoide, generando un grupo de PQ más reducido en la oscuridad en comparación con las plantas y los cloroplastos de algas [29-31] y 3) una relación de expresión de PSI / PSII sustancialmente más alta, lo que resulta en un aumento contribución de la fluorescencia PSI no variable a la oscuridad F0 nivel de fluorescencia [18,20]. Aunque a longitudes de onda inferiores a 700 nm la contribución de PSI es insignificante, para λ & gt 700 nm contribuye entre el 30 y el 50% de la emisión total de fluorescencia (F0) en plantas C3 y C4, respectivamente [32,33]. En las mediciones de PAM, el chl a La señal de fluorescencia se registra con filtros de corte que permiten que la luz pase con λ & gt 696 nm y, en consecuencia, una relación PSI / PSII más alta eleva intrínsecamente el nivel de fluorescencia no variable. Por lo tanto, utilizando los procedimientos estándar de cálculo e interpretación de datos, se atribuirá a las cianobacterias un rendimiento cuántico aparente menor de PSII.

La medición de la tasa de evolución de oxígeno también proporciona una indicación de qué tan bien está funcionando el PSII y cuántos electrones se liberan en el esquema Z a una intensidad de luz particular. Estas mediciones se realizan a menudo utilizando un electrodo de oxígeno de tipo Clark o un optodo, pero esto no proporciona información sobre la producción y el consumo simultáneos de oxígeno [17, 34]. En un intento por superar esta limitación, a menudo se asume que la tasa de respiración que se mide en la oscuridad no será superada por la tasa de consumo de oxígeno en la luz, o incluso que esta tasa de respiración se mantendrá constante, independientemente de la luz. intensidad. Las tasas de evolución de oxígeno medidas en la luz, por lo tanto, a menudo se "corrigen", mediante la adición de la tasa de consumo de oxígeno que se mide en la oscuridad [35,36]. Sin embargo, estudios previos ya han demostrado que el consumo de oxígeno en la luz puede inhibir el flujo de electrones respiratorios en condiciones de poca luz [37,38] y en condiciones de luz moderada a alta el consumo de oxígeno se extiende muy por encima de la tasa de oscuridad [39-41].

En el presente trabajo elaboramos dos técnicas de análisis utilizadas para estimar la eficiencia relativa del crecimiento fototrópico oxigenado en la estimación del rendimiento de PSII basado en PAM ligero y el intercambio de oxígeno. Los datos presentados demuestran que el rendimiento absoluto de PSII derivado de PAM no permite la comparación directa entre diferentes taxones fototróficos. Las razones mecánicas detrás de la estimación aberrantemente baja del rendimiento fotosintético por PAM en cianobacterias o la baja producción de oxígeno en condiciones de luz intensa se han analizado utilizando Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis) mutantes deficientes en las oxidasas terminales respiratorias, la principal NADPH deshidrogenasa, las proteínas flavodiiron de tipo Mehler y la antena captadora de luz del ficobilisoma. Los resultados aclaran por qué la práctica instrumental PAM y las técnicas de análisis de optodos de oxígeno brindan una visión muy diferente de la eficiencia del crecimiento para las especies comparadas, mientras que la medición real de la eficiencia del crecimiento con luz en cultivo continuo da como resultado valores muy similares para la conversión de biomasa entre Synechocystis y Chlorella sorokiniana 211-8K (Clorella). Se concluye que la técnica PAM no se puede utilizar para la comparación directa entre diferentes clados de fotótrofos oxigenados.


II. Momento de la divergencia de la fotosíntesis oxigenada y los principales grupos de cianobacterias

Los estudios genómicos y evolutivos han proporcionado información sobre la evolución de las proteínas centrales involucradas en la fotosíntesis oxigenada (Cardona, 2018 Cardona et al., 2019) y la aparición del ancestro común de las cianobacterias (Blank & Sánchez-Baracaldo, 2010 Schirrmeister et al., 2013 Shih et al., 2016). Entre los procariotas, las cianobacterias han dejado algunos de los mejores registros fósiles (Schirrmeister et al., 2016) permitiendo estudios de reloj molecular. Estimaciones de edad de la familia de genes de PSI y PSII (Cardona, 2018 Cardona et al., 2019) son consistentes con el registro geológico que muestra rastros de oxígeno a lo largo del eón Arcaico (4-2.5 Ba) estos hallazgos implican que la fotosíntesis oxigenada ya fue establecida por 3.0 Ba et al., 2014 Wang et al., 2018). En otras palabras, las formas tempranas de oxidación del agua, llevadas a cabo por fotosistemas homodiméricos ancestrales (Figs.1, 2), podrían haberse originado 1 Byr antes que el GOE (Cardona et al., 2019). Además, los fotosistemas heterodiméricos estándar, un rasgo definitorio de las cianobacterias del grupo de la corona (Fig.3), evolucionaron hacia el eón Arcaico tardío (Blank & Sánchez-Baracaldo, 2010 Schirrmeister et al., 2015) o principios de la era Paleoproterozoica (Shih et al., 2016 ).

La mayoría de la diversidad de cianobacterias existente evolucionó después del GOE (Fig.3) (Sánchez-Baracaldo, 2015). Por ejemplo, los parientes más cercanos (p. Ej. Gloeomargarita) de los Archaeplastida, un grupo monofilético que incluye a los glauofitos, algas rojas, algas verdes y plantas terrestres, surgió C. 1.9 Ba (Sánchez-Baracaldo et al., 2017). En escalas de tiempo más recientes, la estimación de la edad de los grupos planctónicos marinos es consistente con la evidencia geoquímica que respalda el momento de la oxigenación del océano en C. 800–600 Ma (Sánchez-Baracaldo et al., 2014). Estimaciones de edad de las algas verdes marinas (Sánchez-Baracaldo et al., 2017) al final de la era Precámbrica y antes del origen de los animales son consistentes con los datos de biomarcadores eucariotas (Brocks et al., 2017). Los estudios del reloj molecular de las asociaciones simbióticas también han demostrado que las estimaciones de edad del simbionte, UCYN-A, se superponen con las edades fósiles de su anfitrión, Braarudosphaera bigelowii, a C. 92 Ma (Cornejo-Castillo et al., 2016 ).


Mejora de sistemas de medición anteriores

El laboratorio de Montgomery estudia cómo los pequeños cambios en el sistema de procesamiento de carbono de las cianobacterias y rsquos afectan su productividad.

"Nos cuesta examinar los cambios mínimos en el mecanismo de concentración de carbono y determinar qué tan relevantes pueden ser para el estado físico y la supervivencia de un organismo", agrega Brandon. & ldquoAunque tenemos un catálogo de cepas de cianobacterias que reaccionan de manera diferente a las condiciones ambientales circundantes, anteriormente teníamos métodos limitados para cuantificar cómo esos cambios afectan la capacidad real de una célula para fijar carbono. & rdquo

Los métodos establecidos tardan horas en ejecutarse, generalmente solo pueden medir el resultado final relacionado con el CO2 asimilación y uso, y son un desafío.

Por ejemplo, una forma estándar es hacer crecer cianobacterias en un cultivo líquido. Luego, los científicos miden la rapidez con la que los organismos liberan oxígeno en el líquido. Dado que el oxígeno es un subproducto de la fotosíntesis, la medición infiere la productividad fotosintética. Pero el resultado es indirecto, un proxy.

Mientras tanto, los métodos más directos pueden controlar fácilmente cómo los organismos se adaptan a los cambios en su entorno. Cada vez que los científicos quieren medir el impacto de una concentración diferente de carbono, utilizando medidas de punto final, tienen que utilizar un nuevo lote de organismos. Y los cultivos líquidos tardan horas en alcanzar un estado de equilibrio en el que los científicos pueden medir con precisión el CO2.

Por el contrario, el nuevo método reduce drásticamente los desafíos técnicos y de tiempo.

& ldquoLa pequeña cantidad de agua en nuestros discos sólidos permite una mayor exposición al aire. Las cianobacterias tardan de dos a cinco minutos en adaptarse a los niveles de CO2 los hemos alimentado. Realizamos las curvas de respuesta de carbono en cuestión de minutos y podemos cubrir un rango de CO2 niveles. & rdquo


Los científicos resuelven la estructura que permite que las cianobacterias prosperen con poca luz

UNIVERSITY PARK, Pensilvania - Los científicos han determinado la estructura del complejo de proteínas que le da a las cianobacterias su capacidad única de convertir la luz solar débil y filtrada en energía utilizable. Sus hallazgos podrían algún día usarse para diseñar cultivos que prosperen en condiciones de poca luz.

Diminutos organismos fotosintéticos que viven prácticamente en todas partes de la Tierra, las cianobacterias ayudaron a crear una atmósfera rica en oxígeno en la Tierra y continúan proporcionándonos gran parte del oxígeno que necesitamos para sobrevivir.

“Cuando las cianobacterias viven en condiciones de poca luz, como debajo de la superficie de un estanque o debajo de la hojarasca en el suelo de un bosque, algunas pueden pasar de usar la luz visible que es más propicia para su crecimiento y actividades fotosintéticas a cosechar la más débil , luz del sol de color rojo lejano que se filtra hacia ellos ”, dijo Donald Bryant, profesor de biotecnología Ernest C. Pollard, Penn State. "Esta nueva capacidad le da a las cianobacterias una ventaja adaptativa sobre otros organismos y es parte de por qué son responsables de un gran porcentaje de la actividad fotosintética en el planeta".

En su estudio, el equipo, que incluyó a investigadores del Centro de Biodesign para el Descubrimiento Estructural Aplicado de la Universidad Estatal de Arizona, investigó Fischerella thermalis, una cianobacteria terrestre previamente utilizada como organismo modelo para el estudio de la fotosíntesis. Como todas las especies de cianobacterias, F. thermalis es rica en clorofila, el pigmento que se encarga de absorber la luz. Según Bryant, una investigación reciente ha sugerido que el complemento habitual de clorofila de F. thermalis, llamado clorofila a, se reemplaza parcialmente en condiciones de luz roja lejana con una forma de la molécula estrechamente relacionada, pero químicamente distinta, conocida como clorofila f.

“Hasta ahora solo hemos podido especular sobre cómo las cianobacterias hacen el cambio al uso de clorofila f porque no hay información estructural disponible sobre la maquinaria fotosintética involucrada para que podamos ver lo que está sucediendo”, dijo.

Para comprender el fenómeno, Bryant y sus colegas utilizaron microscopía electrónica criogénica (Cryo-EM) para resolver la estructura del fotosistema I de F. thermalis, uno de los dos complejos de proteínas responsables de la fotosíntesis que ocurren en todos los organismos fotosintéticos. Cryo-EM puede determinar estructuras biomoleculares con una resolución de escala casi atómica. Con el método, los investigadores pudieron observar la ubicación de las moléculas de clorofila f presentes en F. thermalis. Específicamente, el equipo identificó cuatro sitios donde estas moléculas de clorofila f pueden unirse y volverse funcionales.

"Al sintetizar e incorporar alrededor del 8% de clorofila f en sus complejos del fotosistema I, F. thermalis puede realizar la fotosíntesis utilizando luz roja lejana de hasta casi 800 nanómetros", dijo Chris Gisriel, asociado postdoctoral de la Universidad de Yale que participó en esta investigación mientras era investigador en el Centro de Biodiseño para Descubrimiento Estructural Aplicado de la Universidad Estatal de Arizona.

Los hallazgos del equipo aparecen hoy (5 de febrero) en la revista Science Advances.

Bryant dijo que en investigaciones anteriores, él y sus colegas descubrieron que otra proteína en las células cianobacterianas detecta la longitud de onda de la luz entrante y activa la producción del aparato fotosintético modificado cuando la luz roja lejana predomina sobre la luz visible.

Gisriel agregó: “La investigación sugiere que quizás el 25 por ciento de todas las cianobacterias, incluidos los organismos comunes del suelo, tienen esta capacidad. Esto implicaría que una parte significativa, aproximadamente un octavo, del oxígeno en la Tierra proviene de organismos con esta adaptación ".

Los hallazgos del equipo sugieren interesantes posibilidades para futuras aplicaciones. Por ejemplo, los cultivos podrían modificarse potencialmente para controlar sus propiedades de absorción de luz dependiendo de las condiciones de luz ambiental.Además, dos cultivos podrían potencialmente cultivarse juntos, con cultivos más cortos, como la alfalfa, extrayendo la luz roja lejana de sus ubicaciones sombreadas debajo de cultivos más altos, como el maíz. Tal estrategia podría producir el doble del rendimiento de los cultivos por unidad de área.

Otros autores del artículo incluyen a Gaozhong Shen, profesor asociado de investigación en bioquímica y biología molecular Vasily Kurashov, profesor asistente de investigación en bioquímica y biología molecular y John Golbeck, profesor de bioquímica y biofísica y de química, todos en Penn State. Otros autores incluyen a Shangji Zhang, estudiante graduado Dewight Williams, científico investigador asociado y Petra Fromme, profesora y directora del Centro de Biodiseño para Descubrimiento Estructural Aplicado, todos en la Universidad Estatal de Arizona. El autor Ming-Yang Ho era un estudiante de posgrado en bioquímica y biología molecular en Penn State cuando participó en la investigación y ahora es profesor asistente de ciencias de la vida en la Universidad Nacional de Taiwán.

Este trabajo fue apoyado por la National Science Foundation y el Biodesign Center for Applied Structural Discovery de la Arizona State University. Parte de esta investigación también se llevó a cabo bajo los auspicios del Centro de Investigación de la Antena Fotosintética, un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía financiado por el Departamento de Energía.


Rendimiento de oxígeno fotosintético de cianobacterias - Biología

DESCRIPCIÓN DEL REINO OXIFOTOBACTERIA [ex GIBBONS Y MURRAY 1978 (MURRAY 1988)] (Y SU ÚNICO FILO CIANOBACTERIA (STANIER 1974)

Las cianobacterias son productoras primarias y, por lo tanto, también se denominan algas verde azuladas. A medida que avanzan las bacterias, tienden a ser bastante grandes y los detalles morfológicos se observan fácilmente con un microscopio óptico. Por lo general, son acuáticos y se encuentran tanto en ambientes marinos como de agua dulce, donde pueden ser dominantes. Generalmente considerados taxones molestos en agua dulce, pueden florecer cuando se encuentran en ambientes enriquecidos en fosfato, agotando finalmente el oxígeno del agua cuando la floración muere y se descompone. Además, algunos están implicados en la formación de floraciones tóxicas que pueden matar a los peces y provocar problemas de salud humana. Las cianobacterias abundan en las esteras microbianas de las marismas saladas y en miembros importantes del picoplancton marino. Debido a que muchas especies pueden cubrirse con mucílago, que retiene el agua, algunos taxones crecen en la superficie del suelo.

Entre las bacterias, las cianobacterias se encuentran entre las más complejas. Algunos taxones exhiben diversidad morfológica, más allá de las diferencias en la forma de crecimiento. Pueden presentarse como células individuales, colonias de células, filamentos y colonias de filamentos. Los filamentos de cianobacterias están formados por una matriz lineal de células (el tricoma) que normalmente está rodeada por un conjunto complejo de capas mucilaginosas llamadas vaina. Juntos, el tricoma y la vaina forman el filamento. La mayoría de los taxones filamentosos no se ramifican. Sin embargo, algunos taxones tienen una verdadera ramificación en la que una célula dentro de un filamento se divide en más de un plano y forma una ramificación. A otros les gusta Tolypothrix crecen dentro de la misma vaina y emergen en lo que parece ser una rama, pero en realidad los tricomas simplemente crecen unos sobre otros y forman una estructura similar a una rama si se rompe la vaina común (Figura 1). Más allá de las células vegetativas, las cianobacterias tienen células en reposo o invernales llamadas acinetes, que están agrandadas y muy opacas. La mayoría puede soportar la desecación y temperaturas extremas.

En general, las cianobacterias pueden fijar nitrógeno en condiciones microaerofílicas. Sin embargo, algunos taxones tienen células especializadas (heterocistos) que retienen la parte generadora de ATP del sistema fotosintético, pero no generan oxígeno (Figura 2). Por lo tanto, pueden utilizar energía luminosa para impulsar la fijación de nitrógeno atmosférico a una forma que sea biológicamente activa. No es sorprendente que muchas especies hayan entablado relaciones simbióticas con plantas que de otro modo estarían privadas de nitrógeno.

Las cianobacterias son organismos que utilizan agua como donante de electrones en la fotosíntesis, liberando así oxígeno como producto de desecho. Todos usan clorofila A y algunos usan clorofila B en su maquinaria fotosintética. Se les llama algas verdiazules porque tienen otros pigmentos como ficobilinas, carotenos y xantofilas que también sirven para recolectar energía luminosa. A excepción de las ficobilinas, los pigmentos y los fotosistemas son casi idénticos a los cloroplastos eucariotas. De hecho, la similitud no es superficial. La opinión actual es que todos los cloroplastos se derivaron de las cianobacterias en uno o unos pocos eventos endosimbióticos (Keeling 2004). Como en los cloroplastos, las células cianobacterianas tienen un sistema de membrana interna (tilacoides, Figura 3) (Margulis 1990). Además, los cloroplastos tienen cromosomas bacterianos circulares, pero solo tienen alrededor del 5% del ADN total que se encuentra en un genoma de cianobacterias típico. Sin embargo, se han encontrado miles de genes de cianobacterias en el genoma nuclear de la planta con flores. Arabidopsis (Martin et al. 2002), lo que sugiere que se produjo un movimiento horizontal significativo del genoma de las cianobacterias hacia el genoma nuclear como consecuencia del evento endosimbiótico.

La evidencia fósil sugiere que el grupo es muy antiguo y probablemente responsable de la formación temprana de una atmósfera oxidante. Utilizando evidencia geoquímica, paleontológica y molecular, Tomitani et al. (2006) estimaron que las cianobacterias divergieron del resto de bacterias entre 2450 y 2100 mya. Se han encontrado fósiles del orden de miles de millones de años en estructuras petrificadas llamadas estromatolitos (Figuras 4 y 5) y las cianobacterias conservadas se parecen mucho a sus descendientes vivos (Figura 6). Tenga en cuenta que la posición basal de las cianobacterias en la Figura 7A sugiere que la clorofila A probablemente fue el pigmento fotosintético del que emergieron todas las demás clorofilas y bacterioclorofilas. La Figura 7B ilustra la topología de las cianobacterias según Hoffman et al. (2005).

Hace 2.200 millones de años, los niveles de oxígeno en los océanos habían comenzado a aumentar lo suficiente como para hacer que el hierro se oxidara y se precipitara. Este período de la "Tierra de bolas de óxido" duró millones de años, y la precipitación de hierro formó los grandes depósitos de hierro en la tierra. Con oxígeno molecular libre en los océanos, la química de los océanos comenzó a cambiar y luego exportó oxígeno molecular a la atmósfera también. La fotosíntesis desenfrenada no solo provocó un cambio a una atmósfera oxidante, sino que el dióxido de carbono atmosférico disponible comenzó a disminuir. Justo antes del Cámbrico, las cianobacterias se habían vuelto tan abundantes y tan exitosas que redujeron los niveles de dióxido de carbono a niveles muy bajos y la tierra comenzó a congelarse. Pasó por varios cataclismos, con los océanos casi congelados de polo a polo. Fue durante este período que apareció la vida multicelular, los primeros animales, y probablemente comenzó a consumir la abundancia de cianobacterias.


FIGURA 1


FIGURA 2


FIGURA 3


FIGURA 4


FIGURA 5


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Título: Informe técnico final: uso de enfoques de biología de sistemas para desarrollar cepas de cianobacterias sintetizadoras de biocombustibles avanzadas

El objetivo general de este proyecto fue utilizar un enfoque de biología de sistemas para evaluar el potencial de una serie de cepas de cianobacterias para la producción fotobiológica de biocombustibles avanzados y / o sus precursores químicos. Las cianobacterias son procariotas fotosintéticos que desarrollan oxígeno. Entre ellos, ciertas especies unicelulares como Cyanothece también pueden fijar N 2, un proceso que es exquisitamente sensible al oxígeno. Para acomodar estos procesos incompatibles en una sola celda, Cyanothece produce oxígeno durante el día y crea un O 2-ambiente intracelular limitado durante la noche para realizar O 2-procesos sensibles como N 2-fijación. Así, las células Cyanothece son biorreactores naturales para el almacenamiento de la energía solar captada con posterior utilización en un momento diferente durante un ciclo diurno. Nuestros estudios incluyen la identificación de una nueva cianobacteria transformable mixotrófica, de rápido crecimiento. Esta cepa ha sido secuenciada y estará disponible para la comunidad. Además, hemos desarrollado modelos a escala de genoma para una familia de cianobacterias para evaluar su repertorio metabólico. Además, desarrollamos un método para la construcción rápida de modelos metabólicos utilizando múltiples fuentes de anotación y un modelo metabólico de un organismo relacionado. Este método permitirá una rápida anotación y selección de fenotipos potenciales basados ​​en las secuencias genómicas y raquo recientemente disponibles de muchos organismos. & laquo menos


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Palabras clave: cianobacterias, algas, biología sintética, biocombustible, química verde.

Cita: Wang B, Wang J, Zhang W y Meldrum DR (2012) Aplicación de la biología sintética en cianobacterias y algas. Parte delantera. Microbio. 3: 344. doi: 10.3389 / fmicb.2012.00344

Recibido: 01 de julio de 2012 Aceptado: 05 de septiembre de 2012
Publicado en línea: 19 de septiembre de 2012.

David Nielsen, Universidad Estatal de Arizona, EE. UU.

Shota Atsumi, Universidad de California en Davis, EE. UU.
Christie A. M. Peebles, Universidad Estatal de Colorado, EE. UU.

Copyright: & # x000A9 2012 Wang, Wang, Zhang y Meldrum. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la Licencia de Atribución Creative Commons, que permite el uso, distribución y reproducción en otros foros, siempre que los autores originales y la fuente estén acreditados y sujetos a cualquier aviso de derechos de autor relacionado con gráficos de terceros, etc. .

* Correspondencia: Bo Wang y Deirdre R. Meldrum, Center for Biosignatures Discovery Automation, The Biodesign Institute, Arizona State University, 1001 South McAllister Avenue, Tempe, AZ 85287-6501, EE. UU. correo electrónico: [email protected] [email protected]

& # x02020 Dirección actual: Weiwen Zhang, Escuela de Ingeniería Química y Tecnología, Universidad de Tianjin, Tianjin 300072, People & # x02019s República de China


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