Para comprender mejor el reloj circadiano de las cianobacterias modernas, un equipo de investigación japonés ha investigado los antiguos sistemas de cronometraje. Estudiaron la oscilación de las proteínas del reloj KaiA, KaiB y KaiC (proteínas Kai) en las cianobacterias modernas y la compararon con la función de las proteínas Kai de sus antepasados. Los resultados de su investigación se publicaron en Nature Communications.

Mejor comprensión del origen fisiológico de los sistemas de reloj circadiano

«Las cianobacterias actuales utilizan un reloj circ adiano para predecir el ciclo luz-oscuridad de la Tierra basándose en su rotación, con lo que consiguen reacciones fotosintéticas eficientes. Queríamos saber cuándo desarrollaron las antiguas bacterias el reloj circadiano y cómo se transmitió este rasgo a las cianobacterias actuales», explica Atsushi Mukaiyama, profesor asociado de la Universidad Prefectural de Fukui.

Las cianobacterias, a veces llamadas algas verdeazuladas, son bacterias fotosintéticas que ejercen una importante influencia en los océanos y la atmósfera de la Tierra. Los científicos saben que el último ancestro común de las cianobacterias surgió hace unos 3.000 millones de años. Evolucionó hasta convertirse en el ecosistema actual durante el Gran Evento de Oxidación, que tuvo lugar hace unos 2.300 millones de años, cuando aumentó el contenido de oxígeno en la atmósfera terrestre. Este desarrollo continuó durante al menos dos eventos de la Tierra bola de nieve hace unos 2.400 y 700 millones de años, cuando el planeta estaba cubierto de hielo, así como durante el enriquecimiento de oxígeno en la era Neoproterozoica, cuando el contenido de oxígeno de la Tierra aumentó por segunda vez. El enriquecimiento de oxígeno en la era Neoproterozoica tuvo lugar hace entre 800 y 540 millones de años.

Basándose en fósiles y modelos moleculares evolutivos, los científicos sospechan que el antepasado común más reciente de las cianobacterias ya poseía sistemas primitivos de fotosíntesis de oxígeno. La eficacia de la fotosíntesis está muy influida por los ciclos de luz y oscuridad del entorno. El equipo de investigadores quería averiguar si las cianobacterias primitivas disponían de un sistema horario en el que la fotosíntesis se activó durante el Gran Evento de Oxidación. Esto podría ayudar a los científicos a comprender el origen fisiológico de los sistemas de reloj circadiano.

El reloj circadiano de las cianobacterias

Los científicos han identificado relojes circadianos, es decir, temporizadores internos que hacen que un organismo funcione según un ritmo de 24 horas, en diversos organismos como bacterias, hongos, plantas y mamíferos. El equipo de investigación estudió el reloj circadiano de las cianobacterias utilizando la cepa de cianobacterias Synechococcus elongatus. Reconstruyeron el oscilador del reloj en un tubo de ensayo utilizando la proteína del reloj KaiC. También estudiaron la función y estructura de las proteínas Kai originales para determinar cómo evolucionaron a lo largo del tiempo los osciladores autosostenidos de la proteína Kai.

Como se sabe que los ciclos de luz y oscuridad influyen en la eficacia de la fotosíntesis en las cianobacterias, el equipo quería averiguar si las cianobacterias antiguas ya tenían un reloj circadiano autosostenido cuando se produjeron los antiguos procesos de oxidación y surgieron los sistemas fotosintéticos. Descubrieron que los fenómenos rítmicos más rápidos estaban codificados en las proteínas del reloj primordial. «El reloj de las antiguas cianobacterias estaba sincronizado con un ciclo de 18 a 20 horas. Esto significa que la historia del periodo de rotación de la Tierra podría reconstruirse rastreando la evolución de las moléculas de las proteínas del reloj», explicó Yoshihiko Furuike, profesor adjunto del Instituto de Ciencias Moleculares.

Evolución más rápida

Los hallazgos del equipo demuestran que la KaiC más antigua de las bacterias ancestrales no tenía la función ni la estructura necesarias para las propiedades rítmicas. A través de la evolución molecular, las proteínas Kai de los ancestros adquirieron la función y estructura necesarias alrededor de la época de la oxidación global y la Tierra bola de nieve. Por último, el antepasado común más reciente de las cianobacterias fotosintéticas heredó este oscilador circadiano autosostenido. Estos hallazgos son de gran ayuda para los científicos a la hora de comprender la cronobiología. «Nuestro objetivo final es desarrollar cianobacterias modificadas que puedan adaptarse a los periodos de rotación de planetas y satélites distintos de la Tierra acortando o alargando el periodo del oscilador de la proteína Kai. Las cianobacterias tardaron mucho tiempo en sincronizar su reloj a las 24 horas, pero con los conocimientos y la tecnología modernos podríamos lograr una evolución aún más rápida», afirma Shuji Akiyama, profesor del Instituto de Ciencia Molecular.