Así surgió el oxígeno en la Tierra

El hallazgo, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) bajo el titulo “Manganese-oxidizing photosynthesis before the rise of cyanobacteria”, ofrece un rotundo soporte a la idea de que la oxidación del manganeso (que, pese a su nombre, es una reacción química en la que no toma parte el oxígeno) facilita un peldaño evolutivo para el desarrollo del proceso fotosintético de oxidación del agua que se da en las cianobacterias.

“El proceso fotosintético de oxidación o ruptura de la molécula del agua fue inventado por las cianobacterias hacer aproximadamente unos 2,4 billones de años y, después, fue tomado prestado por otros organismos de alrededor –explica Woodward Fischer, profesor asistente de Geobiología en el Caltech y coautor del estudio-. Las algas tomaron prestado este sistema de fotosíntesis de las cianobacterias, y las plantas son sólo un grupo de algas que tomaron la fotosíntesis en la tierra, por lo que pensamos que con este descubrimiento estamos contemplando el comienzo de la maquinaria molecular que dio origen al oxígeno”.

La fotosíntesis es el proceso por el cual la energía que procede del Sol es utilizada por las plantas y otros organismos para romper las moléculas de agua y dióxido de carbono con el fin de fabricar carbohidratos y oxígeno. El manganeso se requiere para que se produzca la ruptura del agua, por lo que cuando los científicos empezaron a preguntarse qué pasos evolutivos habían conducido a la presencia de una atmósfera oxigenada en la Tierra, comenzaron por prestar atención a la evidencia del proceso fotosintético de oxidación del manganeso en la cianobacterias, que era anterior en el tiempo. Puesto que la oxidación simplemente es un proceso que implica la transferencia de electrones para incrementar la carga de un átomo, y ya que esto puede lograrse utilizando luz o dióxido de carbono, podría haber ocurrido antes del surgimiento del oxígeno en nuestro planeta.

“El manganeso desempeña un rol esencial como catalizador necesario en los procesos contemporáneos de ruptura del agua en biología, por lo que su proceso fotosintético de oxidación podría tener sentido como un potencial fotosistema de transición”, explica Jean Johnson, estudiante graduada en el laboratorio Fischer del Caltech y líder del estudio del Caltech.

Para comprobar la hipótesis de que la fotosíntesis basada en el manganeso ocurrió antes que la evolución de las cianobacterias del oxígeno, los investigadores examinaron sedimentos marinos de rocas con grandes depósitos de manganeso, obtenidos recientemente en excavaciones llevadas a cabo por el Agouron Institute y datados en Sudáfrica hace unos 2.415 millones de años.

El manganeso se disuelve en el agua del mar. De hecho, si no hay fuertes oxidantes alrededor que puedan captar sus electrones, se mantiene en estado acuoso, explica Fisher. Sin embargo, en cuanto se oxida o pierdes electrones, el manganeso precipita, formando un sólido que puede alcanzar altos grados de concentración dentro de los sedimentos del fondo marino.

“La simple observación de estos grandes enriquecimientos –que alcanzan el 16% de manganeso en algunas muestras- ofrecía una fuerte evidencia de que el manganeso había pasado por una oxidación, aunque esa afirmación requería de una confirmación”, explica. Para probar la tesis de que el manganeso formaba parte originalmente de las rocas de Suráfrica y que no fue depositado allí más tarde por fluidos hidrotermales o cualquier otro fenómeno, Johnson y su equipo desarrollaron y emplearon técnicas que permitían al equipo evaluar la cantidad y el estado de oxidación de las cargas de manganeso mineral en escalas muy pequeñas, de hasta 2 micronésimas.

“Sin duda, trabajar con estas rocas en una escalas de micronésismas era muy complicado –confiesa Fischer-. Y más todavía porque las rocas ocupaban cientos de metros de estratos repartidos a lo largo de cientos de kilómetros cuadrados de la cuenca oceánica, por lo que era necesario estar preparados para trabajar entre varias escalas, desde las muy detalladas, hasta aquellas que comprenden todo el depósito y que son necesarias para entender como funcionaba todo este viejo proceso medioambiental”.

Empleando estas aproximaciones multiescala, Johnson y sus compañeros demostraron que el manganeso estaba originalmente en las rocas y que primero se depositó en los sedimentos como óxido de manganeso. También probaron que la oxidación del manganeso sucedió a lo largo de una amplia franja de la antigua cuenca marina y durante todo el espectro de tiempo al que se ha tenido acceso gracias a las excavaciones.

“Es realmente increíble poder utilizar las técnicas de Rayos X para mirar atrás en los registros de las rocas y emplear las observaciones químicas a escalas microscópicas para arrojar luz sobre algunos de los procesos y mecanismos fundamentales que ocurrieron hace billones de años –confirma Samuel Webb, coautor del trabajo y científico de referencia en el SLAC National Accelerator Laboratory en la Universidad de Stanford, donde la mayoría de los experimentos del estudio tuvieron lugar-. Las preguntas relativas a la secuencia fotosintética y al consiguiente surgimiento del oxígeno en la atmósfera con críticas para entender no sólo la historia de nuestro propio planeta, sino las bases de cómo la biología ha perfeccionado el proceso de la fotosíntesis a lo largo del tiempo”.

Dos técnicas

Una vez que el equipo confirmó que el manganeso había sido depositado en fase de óxido cuando las rocas estaban empezando a formarse, comprobaron si esos óxidos de manganeso estaban formados, de hecho, antes de la ruptura fotosintética de la molécula de agua, o si se había formado después como resultado de una reacción con el oxígeno. Para conseguir confirmar la presencia del oxígeno, emplearon dos técnicas distintas. Se trataba de descartar que el proceso fotosintético de ruptura del agua se encontraba evolucionado en este momento del tiempo. De hecho, el manganeso de los depósitos se había oxidado y depositado antes de la aparición de la ruptura de la molécula del agua en las cianobacterias. Esto implica, según explica el equipo investigador, que la fotosíntesis de oxidación de manganeso fue un peldaño que condujo a la producción del oxígeno por medio de la fotosíntesis de ruptura de la molécula del agua.

“Creo que a partir de ahora surgirán un buen número de experimentos adicionales en los que la gente intente conseguir y revertir el proceso de ingeniería del fotosistema de la fotosíntesis del manganeso o las células –expone Fischer-. Una vez que conoces que esto sucedió, surgen más razones para tomarse en serio un programa experimental basado en hacerse este tipo de preguntas. ¿Podemos hacer un fotosistema que sea capaz de oxidar el manganeso pero que no conlleve una ruptura de la molécula de agua? ¿Cómo se comportaría y cuáles son sus procesos químicos? Incluso, considero que sabemos cómo es la ruptura de la molécula del agua hoy en día y cómo es su apariencia, pero todavía no sabemos exactamente cómo funciona. Queda pendiente un descubrimiento mayor todavía para encontrar cómo funciona exactamente la catálisis, y ahora, sabiendo de dónde procede esta maquinaria se pueden abrir nuevas perspectivas sobre su funcionamiento, un conocimiento que puede ayudar a obtener tecnologías que puedan permitir la producción de energía a partir de fotosíntesis artificiales”.

Mutar cianobacterias

El siguiente paso en el laboratorio Fischer es que Johnson planea trabajar con otros científicos para intentar conseguir mutar cianobacterias y volver hacia atrás para reproducir la fotosíntesis de oxidación del manganeso. El equipo también planea investigar una serie de rocas del oeste de Australia que tienen una antigüedad similar a la de las muestras empleadas en el estudio y que podrían contener también muestras de manganeso. Si los resultados de sus estudios actuales son una indicación verdadera del proceso fotosintético de oxidación del manganeso, afirman, debe de haber más evidencias de estos procesos en otros lugares del mundo.

“El oxígeno es el fondo en el que esta historia se está desarrollando, pero realmente, esto es un cuento sobre la evolución, sobre ese intenso metabolismo que sucedió una vez, y que es una singularidad evolutiva que transformó el planeta –concluye Fischer-. Estamos consiguiendo conocimientos sobre la evolución de uno de esos destacados procedimientos moleculares que condujeron a la oxigenación de la atmósfera de nuestro planeta, y ahora vamos a seguir estudiándolo desde todos los ángulos para obtener el mayor número de conclusiones posibles”.