Alternative photosynthetic redox proteins in the diatom Phaeodactylum tricornutum

Abstract

La fotosíntesis es la principal vía de entrada de energía en la biosfera y la ruta más importante de fijación y secuestro de dióxido de carbono. Aproximadamente la mitad de la productividad fotosintética ocurre en los océanos. Sin embargo, en estos ecosistemas nos encontramos grandes áreas pobres en fitoplancton debido a una limitación delhierro disponible como nutriente. Las algas diatomeas,microalgas eucariotas unicelulares fotosintéticas,son constituyentes fundamentales del fitoplancton oceánico, contribuyendoaproximadamente al 40 % de la fijación de carbono global marina, por lo que pueden ser consideradas así las mayores productorasprimariasen los océanos. Además,las diatomeastienen usos biotecnológicos relevantes. La limitación por hierro en el crecimiento de las diatomeas fue demostrada tras experimentos de fertilización masiva con hierroen el océano, donde, tras dicha fertilización, se produjeron explosiones de biomasaen las que predominabanlasdiatomeas. Phaeodactylum tricornutum(P. tricornutum),en la que se centra este trabajo de tesis, es una de las diatomeas modelos más usadas en investigación, debido tanto a su pequeño genoma (27,4 megabases), a su corto tiempo de crecimiento, a la facilidad de su cultivoy a las diferentes técnicas genéticasque se pueden emplear para su manipulación. Las diatomeas presentan un requerimiento extra de hierro en su cadena fotosintética, primero porque poseen citocromo c550(Cc550) asociado al fotosistema II (PSII), proteína ausente en algas verdes y plantas. Además, la mayoría de las diatomeas carecen de plastocianina (Pc) como alternativa al citocromo c6(Cc6) como transportador de electrones entre el citocromo f (Cf), del complejo b6f(Cb6f),y el fotosistema I (PSI). Una excepción a esto último es la diatomea Thalassiosira oceanica(T. oceanica), en la que se han encontrado evidencias de la presencia de una Pc “roja”. Por todo ello, en esta tesis se han establecido varios objetivos, enfocados al estudio de estas proteínas redox alternativas en fotosíntesis: i) caracterización del Cc550de la diatomea P. tricornutumy los efectos de la falta de hierro en su función como subunidad extrínseca del PSII; ii) efectos de la expresión heteróloga de la Pc del alga verdeChlamydomonas reinhardtii(C. reinhardtii) en P. tricornutum; iii) modelado del complejo de transferencia electrónica [Cf:aceptor] en las diatomeas P. tricornutumy T. oceanica. Nuestros resultados, respecto al Cc550de P. tricornutum, muestran que dicha proteína es purificada en una forma truncada, careciendo de las dos últimas tirosinas, cuando se purifica siguiendo protocolos estándares de purificación. Sin embargo, se ha demostrado, a través de un nuevo protocolo diseñado para purificar el Cc550completo, que el truncamiento es un proceso no fisiológico. Además, la limitación por hierro en los cultivos de esta diatomea induce una drástica bajada en el contenido tanto del Cc550como dela actividad delPSII. Por otro lado, se ha comprobado quela correcta expresión heteróloga de la Pc de C. reinhardtiien P. tricornutumincrementa el crecimiento de esta diatomea en condiciones de deficiencia de hierro. Estos mutantes presentan una mejora en las actividades tanto del PSI como del PSII. Por último, hemos podido ver que el mejor modelo de docking del complejo [Cf:Cc6] de P. tricornutumtiene una orientación diferente al mismocomplejo en C. reinhardtii, siendo más similaral descrito previamente en cianobacterias. Los modelos de docking del complejo [Cf:Pc] de la diatomea T. oceanicamuestran que el complejo no está optimizado para una sola configuración, lo quepodríaindicarque aún no se ha alcanzado una configuración optima para la transferencia de electrones. Además, las configuraciones de energía más favorablede este complejo corresponden a orientaciones aparentemente no productivas, pero que podrían constituiruna posible vía alternativa de transferencia de electrones del Cf a la P.