Le diatomee sono alghe unicellulari microscopiche presenti nelle acque naturali di tutto il mondo. Durante la fotosintesi, assorbono grandi quantità di anidride carbonica, il principale gas serra emesso dalle attività umane, e lo convertono in biomassa. Il carotenoide fucoxantina consente alle diatomee di raccogliere in modo efficiente la parte blu-verde della luce solare per la fotosintesi.

In collaborazione con un gruppo di ricerca internazionale, i ricercatori dell'Università Johannes Gutenberg di Mainz (JGU) in Germania hanno ora scoperto come le alghe producono questo pigmento importante e ampiamente utilizzato. Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato in un articolo scientifico in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Nuove informazioni sulla sintesi della fucoxantina

Le diatomee, che prosperano negli ambienti marini e d'acqua dolce in tutto il mondo, sono il gruppo di alghe più ricco di specie e si stima che rappresentino fino a un quinto della fissazione dell'anidride carbonica fotosintetica globale. Contrariamente alle foglie verdi fotosinteticamente attive delle piante terrestri, le diatomee sono di colore marrone. La loro colorazione distinta è causata dalla fucoxantina carotenoide che raccoglie la luce che consente l'assorbimento efficiente e l'utilizzo fotosintetico della luce blu-verde prevalente in molti habitat acquatici. La fucoxantina è uno dei carotenoidi più abbondanti sulla terra e uno dei principali motori della fotosintesi marina.

Nell'ultimo decennio, la fucoxantina è diventata anche oggetto di crescente interesse per le applicazioni nutraceutiche e farmaceutiche. Menzionato per la prima volta nella letteratura scientifica già 150 anni fa come uno dei principali pigmenti delle alghe brune, la struttura chimica della fucoxantina è stata stabilita negli anni '60. Finora, tuttavia, non si sapeva come le alghe sintetizzano questo importante prodotto naturale.

I gruppi di ricerca del Dr. Martin Lohr della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), del Professor Graham Peers della Colorado State University di Fort Collins, negli Stati Uniti, e del Professor Xiaobo Li della Westlake University di Hangzhou in Cina, hanno ora svelato il percorso biosintetico della fucoxantina in diatomee, riportato in un manoscritto congiunto pubblicato su PNAS .

Usando le forbici genetiche CRISPR/Cas9, i ricercatori hanno alterato i geni nella diatomea Phaeodactylum tricornutum che codificano proteine ​​con elevata somiglianza con enzimi coinvolti nella biosintesi dei carotenoidi nelle piante terrestri. Il knockout di due di questi enzimi candidati ha prodotto mutanti di colore verde che erano privi di fucoxantina, ma avevano invece accumulato altri carotenoidi e avevano un'efficienza fotosintetica fortemente ridotta. La dettagliata caratterizzazione biochimica dei nuovi carotenoidi e degli enzimi che sono stati eliminati nei mutanti ha consentito ai ricercatori di proporre il percorso completo della fucoxantina nelle diatomee.

Sintesi attraverso un percorso complesso con intermedi precedentemente sconosciuti

Il percorso si è rivelato sostanzialmente più complesso del previsto e comprende tre nuovi carotenoidi intermedi. Sulla base delle analisi bioinformatiche degli enzimi recentemente scoperti e della loro distribuzione tra le alghe, i ricercatori sono stati anche in grado di dimostrare che il percorso della fucoxantina si è evoluto dalla duplicazione di antichi geni per enzimi che catalizzano la formazione di carotenoidi fotoprotettivi.

Come spiegano gli autori, i carotenoidi nell'organismo fotosintetico inizialmente fungevano da protettori in condizioni di luce eccessiva. Il loro recente lavoro mostra che le diatomee hanno duplicato ripetutamente i componenti della cassetta degli attrezzi enzimatica che genera questi pigmenti fotoprotettivi. Alcune delle copie hanno acquisito nuove funzioni, consentendo così la sintesi di carotenoidi più complessi che si sono rivelati particolarmente adatti per la raccolta di luce fotosintetica. In particolare, le alghe brune più giovani evolutive mancano di questi enzimi aggiuntivi e dei nuovi intermedi carotenoidi. Invece, sembrano utilizzare un percorso modificato che si è evoluto accorciando il percorso nelle diatomee.

Un trasferimento della via biosintetica completa della fucoxantina in altri organismi non è ancora possibile. "Abbiamo identificato tutti gli intermedi del percorso, ma alcuni degli enzimi coinvolti sono ancora sconosciuti", ha affermato il dott. Martin Lohr dell'Istituto di fisiologia molecolare (IMP) della JGU. Gli autori si aspettano, tuttavia, che i loro risultati favoriranno l'identificazione degli enzimi ancora mancanti. Inoltre, i mutanti di diatomee verdi forniranno opportunità di ricerca senza precedenti per una comprensione più profonda della biogenesi e della regolazione dell'apparato fotosintetico in questo importante gruppo di alghe di particolare importanza ecologica. + Esplora ulteriormente

Fare luce sul colore marrone delle alghe