Metales, algas y fotosíntesis

Las diatomeas -una clase de algas unicelulares microscópicas conocidas también como Bacillariophyceae- constituyen uno de los grupos más abundantes y diversificados del fitoplancton oceánico, como podéis ver en la imagen de arriba. Actualmente se conocen más de 200 géneros de diatomeas, y se estima que hay alrededor de 100.000 especies extintas. Aproximadamente del 30 al 40 por ciento de los 45-50 mil millones de toneladas de materia orgánica generadas al año en los océanos proviene de la productividad fotosintética de las diatomeas.

A nivel mundial, la contribución de las diatomeas es equivalente a la de todos los bosques tropicales combinados. Además, debido a sus paredes de sílice, son los principales actores de la bomba biológica de carbono, ya que el hundimiento de las diatomeas muertas contribuye a secuestrar el carbono fijado en las profundidades del mar. Las aplicaciones biotecnológicas de las diatomeas incluyen su uso como fuente de fitoplacton en acuicultura, bioindicadores de la contaminación y la calidad del agua, así como aplicaciones nanotecnológicas, de química de materiales, producción de biocombustibles y alimentos para animales.

Las diatomeas llevan a cabo una fotosíntesis oxigénica similar a la de otras algas y plantas superiores, pero también a las de las cianobacterias, en la que los electrones excitados por la energía luminosa se transfieren a través de tres grandes complejos de proteínas de membrana (fotosistema II –PSII-, citocromo b6f y fotosistema I –PSI-), conectados por transportadores móviles (quinonas y proteínas solubles) (Figura 2).

Sin embargo, la cadena de transferencia de electrones fotosintética de las diatomeas posee algunas peculiaridades derivadas de su particular origen evolutivo (Figura 2). Así, aunque la mayoría de las cianobacterias y algas verdes unicelulares contienen tanto la cobre-proteína plastocianina como la hierro-proteína citocromo c6 como donadores alternativos de electrones entre los complejos b6f y PSI, en general las diatomeas carecen de plastocianina, por lo que el citocromo c6 actúa en estos organismos como único transportador entre estos complejos.

Uno de los principales factores que limitan la productividad primaria de las diatomeas es la necesidad de micronutrientes, como metales (hierro, zinc, manganeso), vitaminas, etc. En particular, la demanda de hierro del fitoplancton es alta, y con frecuencia superior a la disponibilidad de este metal. En consecuencia, se acepta que la limitación por hierro del crecimiento del fitoplancton es la causa principal de la existencia de zonas con bajo contenido de clorofila (desiertos marinos) en océanos abiertos, como el Pacífico subártico y ecuatorial, los mares del Sur y el Atlántico Norte.

Así, experimentos de fertilización por suministro artificial de hierro en mar abierto han demostrado que las diatomeas tienden a dominar en la recolección de fitoplancton tras dicha fertilización a gran escala, y que gran parte del carbono fijado se deposita en el fondo oceánico por la deposición de diatomeas, aunque esta aproximación presenta importantes inconvenientes técnicos y ecológicos.

Los organismos fotosintéticos se han enfrentado a las limitaciones provocadas por la falta de hierro mediante el desarrollo de sistemas alternativos de proteínas, como son las parejas alternativas ferredoxina/flavodoxina y plastocianina/citocromo c6 en cianobacterias y algunas algas (Figura 2). Concretamente, la síntesis de plastocianina en presencia de cobre, en lugar del citocromo c6, resulta en un importante ahorro de hierro, posibilidad que está, sin embargo, ausente en las diatomeas, que carecen de esta cupro-proteína.

La mejora en la productividad de las diatomeas en condiciones de baja disponibilidad de hierro constituye así un campo de investigación de gran interés, dado que las diatomeas son organismos extremadamente relevantes desde un punto de vista económico y ecológico en los océanos actuales, y debido además a sus capacidades biotecnológicas.

Por ello, el diseño y construcción de nuevas estirpes, cuyo crecimiento sea menos sensible a la falta de hierro en el medio, presenta interesantes aplicaciones en el campo de la biotecnología de microalgas y acuicultura. La posibilidad de diseñar una diatomea modificada, capaz de crecer mejor en condiciones de limitación de hierro, mediante la introducción de un gen funcional de plastocianina que pueda reemplazar al citocromo c6, podría reducir su necesidad de hierro, sustituido funcionalmente por cobre, metal relativamente abundante en mar abierto.