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A fotossíntese pode ser tão antiga quanto a própria vida
A descoberta também desafia as expectativas de como a vida pode ter evoluído em outros planetas. A evolução da fotossíntese que produz oxigênio é considerada o fator-chave no eventual surgimento de vida complexa.
Por Hayley Dunning - 17/03/2021


Colônias de cianobactérias ao microscópio. Crédito: Ye.Maltsev / Shutterstock

Os pesquisadores descobriram que as primeiras bactérias tinham as ferramentas para realizar uma etapa crucial na fotossíntese, mudando a forma como pensamos que a vida evoluiu na Terra.

A descoberta também desafia as expectativas de como a vida pode ter evoluído em outros planetas. A evolução da fotossíntese que produz oxigênio é considerada o fator-chave no eventual surgimento de vida complexa. Acreditava-se que isso levaria vários bilhões de anos para evoluir, mas se de fato a vida mais antiga foi capaz de fazê-lo, então outros planetas podem ter desenvolvido vida complexa muito antes do que se pensava.

A equipe de pesquisa, liderada por cientistas do Imperial College London, rastreou a evolução das proteínas-chave necessárias para a fotossíntese, possivelmente na origem da vida bacteriana na Terra. Seus resultados são publicados e acessíveis gratuitamente em BBA — Bioenergetics.

O principal pesquisador, Dr. Tanai Cardona, do Departamento de Ciências da Vida do Imperial, disse: "Tínhamos mostrado anteriormente que o sistema biológico para realizar a produção de oxigênio, conhecido como Fotossistema II, era extremamente antigo, mas até agora não tínhamos sido capaz de colocá-lo na linha do tempo da história da vida.

"Agora, sabemos que o fotossistema II mostra padrões de evolução que geralmente são atribuídos apenas às enzimas mais antigas conhecidas, que foram cruciais para a evolução da própria vida."

Produção precoce de oxigênio

A fotossíntese, que converte a luz solar em energia, pode ter duas formas: uma que produz oxigênio e outra que não. Supõe-se que a forma produtora de oxigênio tenha evoluído mais tarde, particularmente com o surgimento de cianobactérias, ou algas verde-azuladas, cerca de 2,5 bilhões de anos atrás.

Embora algumas pesquisas tenham sugerido que bolsões de fotossíntese produtora de oxigênio (oxigênio) podem ter existido antes disso, ainda era considerada uma inovação que levou pelo menos dois bilhões de anos para evoluir na Terra.

A nova pesquisa descobriu que enzimas capazes de realizar o processo-chave na fotossíntese oxigenada - dividir a água em hidrogênio e oxigênio - podem na verdade estar presentes em algumas das primeiras bactérias. A evidência mais antiga de vida na Terra tem mais de 3,4 bilhões de anos e alguns estudos sugeriram que a vida mais antiga poderia ter mais de 4,0 bilhões de anos.
 
Como a evolução do olho, a primeira versão da fotossíntese oxigenada pode ter sido muito simples e ineficiente; como os primeiros olhos sentiam apenas a luz, a primeira fotossíntese pode ter sido muito ineficiente e lenta.

Na Terra, levou mais de um bilhão de anos para que as bactérias aperfeiçoassem o processo que levou à evolução das cianobactérias, e mais dois bilhões de anos para que animais e plantas conquistassem a terra. No entanto, essa produção de oxigênio estava presente tão cedo significa que em outros ambientes, como em outros planetas, a transição para uma vida complexa poderia ter levado muito menos tempo.

Cianobactérias na superfície da água. Crédito: Kletr / Shutterstock
Medindo relógios moleculares

A equipe fez sua descoberta rastreando o 'relógio molecular' das proteínas-chave da fotossíntese, responsáveis ​​pela divisão da água. Este método estima a taxa de evolução das proteínas observando o tempo entre os momentos evolutivos conhecidos, como o surgimento de diferentes grupos de cianobactérias ou plantas terrestres, que hoje carregam uma versão dessas proteínas. A taxa de evolução calculada é então estendida no tempo, para ver quando as proteínas evoluíram pela primeira vez.

Eles compararam a taxa de evolução dessas proteínas da fotossíntese com a de outras proteínas-chave na evolução da vida, incluindo aquelas que formam moléculas de armazenamento de energia no corpo e aquelas que traduzem sequências de DNA em RNA, que se pensa ter se originado antes do ancestral de toda a vida celular na Terra. Eles também compararam a taxa com eventos que sabidamente ocorreram mais recentemente, quando a vida já era variada e as cianobactérias apareceram.

As proteínas da fotossíntese mostraram padrões de evolução quase idênticos aos das enzimas mais antigas, remontando no tempo, sugerindo que evoluíram de maneira semelhante.

Primeiro autor do estudo Thomas Oliver, do Departamento de Ciências da Vida do Imperial, disse: "Nós usamos uma técnica chamada Ancestral Sequência de Reconstrução para prever as proteínas sequências de proteínas fotossintéticas ancestrais.

"Essas sequências nos fornecem informações sobre como o ancestral Fotossistema II teria funcionado e fomos capazes de mostrar que muitos dos principais componentes necessários para a evolução do oxigênio no fotossistema II podem ser rastreados até os primeiros estágios da evolução da enzima."

Evolução dirigida

Saber como essas proteínas-chave da fotossíntese evoluem não é apenas relevante para a busca de vida em outros planetas, mas também pode ajudar os pesquisadores a encontrar estratégias para usar a fotossíntese de novas maneiras por meio da biologia sintética.

O Dr. Cardona, que está liderando esse projeto como parte de sua bolsa UKRI Future Leaders Fellowship, disse: "Agora que temos uma boa noção de como as proteínas da fotossíntese evoluem, adaptando-se a um mundo em mudança, podemos usar a 'evolução direcionada' para aprender como para mudá-los para produzir novos tipos de química.

"Poderíamos desenvolver fotossistemas capazes de realizar novas reações químicas ecológicas e sustentáveis ​​complexas, totalmente alimentadas por luz."

 

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