Los científicos revelan la biología celular inusual detrás de la proliferación de algas tóxicas

Los investigadores pudieron reconstruir la forma tridimensional de cloroplastos individuales a partir de varios cientos de imágenes. Crédito: Universidad de Oldenburg/Grupo de Microbiología General y Molecular

Un mecanismo de fotosíntesis distinto caracteriza a un organismo unicelular que se encuentra en la proliferación de algas.

¿Cuáles son los mecanismos celulares dentro de las algas marinas unicelulares? Clasificar ¿Responsable de provocar la proliferación de algas tóxicas? Un grupo de investigación bajo la dirección del microbiólogo Prof. Dr. Ralf Rabus de la Universidad de Oldenburg (Alemania) ha llevado a cabo los primeros análisis detallados de una biología celular inusual en microorganismos. Prorocentrum cordatumuna especie del grupo de los dinoflagelados ampliamente extendida a nivel mundial, que utiliza enfoques microscópicos y proteómicos avanzados.

El equipo también informó en la revista Science Física vegetalel Fotosíntesis El proceso en estos microorganismos está organizado en una configuración inusual que puede ayudarlos a adaptarse mejor a las condiciones cambiantes de luz en los océanos. Los resultados del estudio podrían conducir a una mejor comprensión de la aparición de floraciones de algas nocivas, que pueden volverse más frecuentes debido al cambio climático.

Los dinoflagelados son organismos importantes en los ecosistemas marinos y de agua dulce. Estos organismos unicelulares constituyen una gran proporción del fitoplancton de vida libre, que forma la base de la red alimentaria en océanos y lagos. Algunas especies, incl. Prorocentrum cordatumPueden multiplicarse en aguas cálidas y ricas en nutrientes y formar algas nocivas.

Sección transversal de una célula de microalga. Prorocentrum cordatum. Núcleo con cromosomas a la derecha. Los cloroplastos en forma de barril único ocupan el 40 por ciento del volumen de la célula. Crédito: Universidad de Oldenburg/Grupo de Microbiología General y Molecular

«Estudiamos este organismo porque, a pesar de su importancia ecológica, su biología celular y fisiología metabólica aún no se conocen bien», dijo Rabus. Además de estudiar la fotosíntesis en microalgas, los investigadores también examinaron la estructura de sus núcleos celulares y su respuesta al estrés por calor en colaboración con equipos de las universidades de Hannover, Braunschweig y Munich y presentaron los resultados en otros dos artículos publicados recientemente. .

Las técnicas de imagen avanzadas revelan estructuras celulares únicas

Utilizando un potente microscopio electrónico de barrido con un haz de iones enfocado en la Universidad Ludwig Maximilian de Munich, el equipo encabezado por Rabus y la autora principal Jana Kalvilag del Instituto de Química y Biología Marina (ICBM) pudo reconstruir la arquitectura tridimensional de los cloroplastos. , donde tiene lugar la fotosíntesis. Los científicos pudieron generar alrededor de 600 capas de imágenes de una sola célula de alga y luego combinar las secciones para crear una imagen espacial 3D de alta resolución de los organismos unicelulares de forma ovalada, que generalmente tienen un tamaño de 10 a 20 milésimas. Milimetros de largo. El análisis reveló esto Prorocentrum cordatum Contienen sólo cloroplastos en forma de barril que ocupan el 40% de su volumen celular.

Los análisis proteómicos (proteoma) revelaron entonces marcadas diferencias entre el aparato fotosintético de las microalgas y el aparato fotosintético de las microalgas. Planta arabidopsis thalianaEs una planta modelo bien estudiada en la investigación genética. En ambas especies, la fotosíntesis tiene lugar en estructuras proteicas complejas integradas en el extenso sistema de membranas del cloroplasto.

Sin embargo, en Prorocentrum cordatum El equipo observó que la conversión de energía solar en energía bioquímica ocurre en una gran estructura formada por muchas proteínas, conocida como «macrocomplejo», mientras que en los cloroplastos de las especies vegetales, los diferentes pasos de la fotosíntesis ocurren en estructuras espacialmente separadas. El equipo también informó esto. P. cordatum Utiliza una gran cantidad de proteínas fijadoras de pigmentos diferentes para capturar eficientemente la energía solar. «Esta diversidad es una adaptación especial a las cambiantes condiciones de luz a las que está expuesto el organismo en los océanos», explicó Rabus.

Explorando la complejidad genética y la adaptabilidad.

Otros dos estudios publicados el año pasado arrojan luz sobre la inusual biología de las microalgas: en el primer estudio, un equipo germano-australiano, del que también formaban parte investigadores del ICBM, descubrió que los organismos tienen un genoma muy grande con el doble de pares de bases que humanos. El equipo también descubrió que las algas cambian su metabolismo y ralentizan su tasa de crecimiento en respuesta al estrés por calor. En una segunda publicación, el equipo dirigido por Rabus y Kalvilage describió el núcleo celular con más detalle e informó P. cordatum Contiene 62 cromosomas, un número inusualmente grande que ocupa casi todo el núcleo de la célula. El equipo observó que actualmente se desconoce la función de una gran proporción de las proteínas nucleares identificadas por los investigadores.

«Investigamos cómo funcionan estas importantes microalgas a nivel molecular. Estos hallazgos constituyen la base para una mejor comprensión de su papel en el medio ambiente», subrayó Rabus, y explicó que futuras investigaciones podrían proporcionar respuestas a preguntas como cómo interactúa el metabolismo del organismo. con otros factores estresantes – Y por qué las especies son capaces de adaptarse a una amplia gama de condiciones ambientales, desde las que se encuentran en los trópicos hasta las que se encuentran en climas templados.

Referencia: “Cloroplastos claros con complejo fotosintético masivo I/II en el Prorocentrum cordatum marino” por Jana Kalvelage, Lars Volbrand, Jennifer Sinckler, Julian Schumacher, Noah Dietz, Kai Bischoff, Michael Winkelhofer, Andreas Klingel, Hans Peter Braun y Ralph Rabus, 08 de febrero de 2024, Física vegetal.
doi: 10.1093/belvis/kiae052

El estudio fue financiado por la Fundación Alemana de Investigación.