Las microalgas marinas desempeñan un papel crucial en el ciclo del carbono de la Tierra, son responsables de aproximadamente la mitad de la producción primaria mundial y secuestran cantidades significativas de dióxido de carbono (CO2) a través de la fotosíntesis. Su supervivencia en entornos con bajos niveles de CO2 depende de mecanismos especializados de concentración de CO2 (CCM), pero los factores que regulan la activación de los CCM no están claros desde hace mucho tiempo. Investigaciones recientes están comenzando a proporcionar información sobre esta compleja adaptación biológica.
Un equipo de investigación del Instituto Qingdao de Bioenergía y Tecnología de Bioprocesos (QIBEBT) de la Academia China de Ciencias ha realizado un descubrimiento crucial sobre cómo las microalgas se adaptan a condiciones de bajas emisiones de CO2. El equipo identificó una modificación específica de las histonas, la metilación de H3K4, como regulador clave en este proceso de adaptación. Sus hallazgos fueron publicados en la revista comunicación de la planta.
La investigación se centró en Nannochloropsis oceanica, una especie de microalga conocida por su valor industrial. El estudio monitoreó los cambios epigenómicos de la microalga a medida que pasaba de un ambiente rico en CO2 (5% CO2) a un ambiente que imitaba las condiciones naturales del agua de mar (0,01% CO2). Utilizando técnicas avanzadas de secuenciación epigenómica multidimensional, los investigadores descubrieron que el nivel global de metilación del ADN en el alga se mantuvo constante en un 0,13%. Esta estabilidad sugirió que la metilación del ADN no es un factor significativo en la respuesta a niveles bajos de CO2.
Por el contrario, el estudio reveló una fuerte asociación entre la metilación de la histona H3K4 (especialmente la variante H3K4me2) y el 43,1% de los genes que responden a niveles bajos de CO2. Estos genes son esenciales para la fotosíntesis y la producción de ribosomas, ambos cruciales para la supervivencia de la microalga en ambientes bajos en carbono. Análisis adicionales indicaron que H3K4me2 mejora la transcripción genética al alterar la accesibilidad a la cromatina, lo que respalda su papel como actor central en la adaptación a niveles bajos de CO2.
El profesor Gong Yanhai, coprimer autor del estudio, expresó su sorpresa por cómo la modificación de las histonas se dirige específicamente a las vías metabólicas esenciales para la utilización del CO2. Señaló que la naturaleza transformadora de la distinción entre la modificación de H3K4 y la metilación del ADN desempeña un papel en la comprensión de la resistencia de las microalgas a condiciones bajas de CO2.
Para validar su hipótesis, el equipo de investigación utilizó la tecnología de edición de genes CRISPR/Cas9 para desactivar el gen NO24G02310, que es responsable de codificar una enzima que añade grupos metilo a H3K4. Las algas modificadas mostraron una disminución notable en la tasa de crecimiento (alrededor del 22%) junto con una reducción del 15% en la biomasa. Además, los niveles de otra modificación de histona, H3K4me1, disminuyeron y la localización general de H3K4me2 cambió, lo que proporciona evidencia tangible de su papel crítico en la adaptación a bajas emisiones de CO2.
Investigaciones adicionales revelaron que la modificación de H3K4 afecta a dos vías principales: regula las redes de enzimas y modula los gradientes de pH transmembrana de los cloroplastos. Juntos, estos mecanismos aumentan la capacidad del alga para utilizar el CO2 disponible, aumentando sus posibilidades de supervivencia en condiciones bajas en carbono.
Los hallazgos de este estudio presentan rutas útiles para diseñar microalgas para mejorar su capacidad de fijación de carbono. Este avance es prometedor para abordar desafíos globales como la creación de fuentes de bioenergía sostenibles y la mejora de la mitigación del cambio climático mediante un mayor secuestro de carbono.
