As diatomáceas são algas unicelulares microscópicas que ocorrem em águas naturais em todo o mundo. Durante a fotossíntese, eles absorvem grandes quantidades de dióxido de carbono, o principal gás de efeito estufa emitido pelas atividades humanas, e o convertem em biomassa. O carotenóide fucoxantina permite que as diatomáceas coletem eficientemente a parte azul-esverdeada da luz solar para a fotossíntese.
Em colaboração com uma equipe de pesquisa internacional, pesquisadores da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) na Alemanha descobriram agora como as algas produzem esse pigmento importante e amplamente utilizado. Seu trabalho foi publicado recentemente em um artigo científico em Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Novos insights sobre a síntese de fucoxantina

Prosperando em ambientes marinhos e de água doce em todo o mundo, as diatomáceas são o grupo de algas mais rico em espécies e estima-se que sejam responsáveis ​​por até um quinto da fixação global de dióxido de carbono fotossintético. Ao contrário das folhas verdes fotossinteticamente ativas das plantas terrestres, as diatomáceas são de cor marrom. Sua coloração distinta é causada pela fucoxantina carotenóide coletor de luz que permite a absorção eficiente e utilização fotossintética da luz azul-esverdeada predominante em muitos habitats aquáticos. A fucoxantina é um dos carotenóides mais abundantes na Terra e um dos principais impulsionadores da fotossíntese marinha.

Durante a última década, a fucoxantina também se tornou um assunto de interesse crescente para aplicações nutracêuticas e farmacêuticas. Mencionada pela primeira vez na literatura científica já há 150 anos como um pigmento importante em algas marrons, a estrutura química da fucoxantina foi estabelecida na década de 1960. Até agora, porém, não se sabia como as algas sintetizam esse importante produto natural.

Os grupos de pesquisa do Dr. Martin Lohr da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), do professor Graham Peers da Colorado State University em Fort Collins, EUA, e do professor Xiaobo Li da Westlake University em Hangzhou na China agora revelaram a via biossintética da fucoxantina em diatomáceas, relatadas em um manuscrito conjunto publicado em PNAS .

Usando a tesoura genética CRISPR/Cas9, os pesquisadores danificaram genes na diatomácea Phaeodactylum tricornutum que codificam proteínas com alta semelhança com enzimas envolvidas na biossíntese de carotenóides em plantas terrestres. O nocaute de duas dessas enzimas candidatas resultou em mutantes de cor verde que eram desprovidos de fucoxantina, mas acumularam outros carotenóides e tiveram uma eficiência fotossintética fortemente diminuída. A caracterização bioquímica detalhada dos novos carotenóides e das enzimas que foram eliminadas nos mutantes permitiu aos pesquisadores propor o caminho completo para a fucoxantina nas diatomáceas.

Síntese através de uma via complexa com intermediários previamente desconhecidos

A via acabou sendo substancialmente mais complexa do que o previsto e engloba três novos intermediários carotenóides. Com base em análises bioinformáticas das enzimas recém-descobertas e sua distribuição entre as algas, os pesquisadores também foram capazes de mostrar que a via da fucoxantina evoluiu pela duplicação de genes antigos para enzimas que catalisam a formação de carotenóides fotoprotetores.

Como os autores explicam, os carotenóides no organismo fotossintético serviram inicialmente como protetores sob excesso de luz. Seu trabalho recente mostra que as diatomáceas duplicaram repetidamente componentes da caixa de ferramentas enzimática que gera esses pigmentos fotoprotetores. Algumas das cópias ganharam novas funções, permitindo assim a síntese de carotenóides mais complexos que se mostraram particularmente adequados para a coleta de luz fotossintética. Notavelmente, as algas marrons evolutivas mais jovens estão perdendo essas enzimas adicionais e os novos intermediários carotenóides. Em vez disso, eles parecem usar uma via modificada que evoluiu encurtando a via nas diatomáceas.

A transferência da via biossintética completa da fucoxantina para outros organismos ainda não é possível. "Nós identificamos todos os intermediários da via, mas algumas das enzimas envolvidas ainda são desconhecidas", disse o Dr. Martin Lohr do Instituto de Fisiologia Molecular (IMP) da JGU. Os autores esperam, no entanto, que suas descobertas promovam a identificação das enzimas ainda ausentes. Além disso, os mutantes de diatomáceas verdes fornecerão oportunidades de pesquisa sem precedentes para uma compreensão mais profunda da biogênese e regulação do aparato fotossintético neste grupo proeminente de algas de particular importância ecológica. + Explorar mais

Iluminando a cor marrom das algas