Repositorio UFRO · Omeka S

Double Mutation in Photosystem II Reaction Centers and Elevated CO2 Grant Thermotolerance to Mesophilic Cyanobacterium

Primer Autor	Dinamarca, Jorge
Co-autores	Shlyk-Kerner, Oksana Kaftan, David Goldberg, Eran Dulebo, Alexander Gidekel, Manuel Gutierrez, Ana Scherz, Avigdor
Título	Double Mutation in Photosystem II Reaction Centers and Elevated CO2 Grant Thermotolerance to Mesophilic Cyanobacterium
Editorial	PUBLIC LIBRARY SCIENCE
Revista	PLOS ONE
Lenguaje	en
Resumen	Photosynthetic biomass production rapidly declines in mesophilic cyanobacteria grown above their physiological temperatures largely due to the imbalance between degradation and repair of the D1 protein subunit of the heat susceptible Photosystem II reaction centers (PSIIRC). Here we show that simultaneous replacement of two conserved residues in the D1 protein of the mesophilic Synechocystis sp. PCC 6803, by the analogue residues present in the thermophilic Thermosynechococcus elongatus, enables photosynthetic growth, extensive biomass production and markedly enhanced stability and repair rate of PSIIRC for seven days even at 43 degrees C but only at elevated CO2 (1%). Under the same conditions, the Synechocystis control strain initially presented very slow growth followed by a decline after 3 days. Change in the thylakoid membrane lipids, namely the saturation of the fatty acids is observed upon incubation for the different strains, but only the double mutant shows a concomitant major change of the enthalpy and entropy for the light activated Q(A)(-)-> Q(B) electron transfer, rendering them similar to those of the thermophilic strain. Following these findings, computational chemistry and protein dynamics simulations we propose that the D1 double mutation increases the folding stability of the PSIIRC at elevated temperatures. This, together with the decreased impairment of D1 protein repair under increased CO2 concentrations result in the observed photothermal tolerance of the photosynthetic machinery in the double mutant#La producción de biomasa fotosintética disminuye rápidamente en cianobacterias mesófilas cultivadas por encima de sus temperaturas fisiológicas, debido principalmente al desequilibrio entre la degradación y la reparación de la subunidad proteica D1 de los centros de reacción del Fotosistema II (PSIIRC), sensibles al calor. Aquí mostramos que el reemplazo simultáneo de dos residuos conservados en la proteína D1 de la cianobacteria mesófila Synechocystis sp. PCC 6803, por los residuos análogos presentes en la cianobacteria termófila Thermosynechococcus elongatus, permite el crecimiento fotosintético, una producción de biomasa extensa y una estabilidad y tasa de reparación del PSIIRC notablemente mejoradas durante siete días, incluso a 43 °C, pero solo con CO2 elevado (1%). En las mismas condiciones, la cepa de control de Synechocystis presentó inicialmente un crecimiento muy lento, seguido de una disminución después de 3 días. Se observa un cambio en los lípidos de la membrana tilacoide, concretamente la saturación de los ácidos grasos, tras la incubación de las diferentes cepas. Sin embargo, solo el mutante doble muestra un cambio importante concomitante en la entalpía y la entropía de la transferencia de electrones Q(A)(-)-> Q(B) activada por la luz, lo que las asemeja a las de la cepa termófila. A partir de estos hallazgos, mediante química computacional y simulaciones de dinámica de proteínas, proponemos que la doble mutación D1 aumenta la estabilidad del plegamiento del PSIIRC a temperaturas elevadas. Esto, junto con la menor alteración de la reparación de la proteína D1 bajo concentraciones elevadas de CO2, da como resultado la tolerancia fototérmica observada en la maquinaria fotosintética del mutante doble.
Tipo de Recurso	artículo original
Description	This work was supported by the Avron-Minerva Foundation for Photosynthesis (7105640201) and the "Alternative Energy Resources Initiative" of the Weizmann Institute (7204880101). J.D. was also supported by the Programa Bicentenario-Banco Mundial, Conicyt, Chile (PBCT CTE-06) and FONDEF, Chile (D03I-1079). D.K. was also supported by the Ministry of Education, Youth, and Sports of the Czech Republic (MSM6007665808), the Grant Agency of the Academy of Sciences of the Czech Republic (IAA608170901) and South Bohemian Research Center of Aquaculture and Biodiversity of Hydrocenoses (CZ.1.05/2.1.00/01.0024). The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript. A.S. is the incumbent of the Robert and Yaddele Sklare Professorial Chair in Biochemistry. J.D. was supported by a fellowship from the Programa Bicentenario-Banco Mundial, Conicyt, Chile. This program has no commercial interest. This does not alter the authors' adherence to all the PLoS ONE policies on sharing data and materials. Este trabajo fue financiado por la Fundación Avron-Minerva para la Fotosíntesis (7105640201) y la "Iniciativa de Recursos Energéticos Alternativos" del Instituto Weizmann (7204880101). J.D. también fue financiado por el Programa Bicentenario-Banco Mundial, Conicyt, Chile (PBCT CTE-06) y FONDEF, Chile (D03I-1079). D.K. también fue financiado por el Ministerio de Educación, Juventud y Deportes de la República Checa (MSM6007665808), la Agencia de Subvenciones de la Academia de Ciencias de la República Checa (IAA608170901) y el Centro de Investigación de Bohemia del Sur de Acuicultura y Biodiversidad de Hidrocenosis (CZ.1.05/2.1.00/01.0024). Los financiadores no tuvieron ningún papel en el diseño del estudio, la recopilación y el análisis de datos, la decisión de publicar o la preparación del manuscrito. A.S. Es titular de la Cátedra Robert y Yaddele Sklare de Bioquímica. J.D. recibió una beca del Programa Bicentenario-Banco Mundial, Conicyt, Chile. Este programa no tiene ningún interés comercial. Esto no altera el cumplimiento por parte de los autores de todas las políticas de PLoS ONE sobre el intercambio de datos y materiales.
doi	10.1371/journal.pone.0028389
Formato Recurso	pdf
Palabras Claves	fatty-acid-composition d1 protein carboxylase oxygenase electron-transport growth temperature membrane-lipids force-field heat-stress pcc 6803 photosynthesis composición de ácidos grasos proteína d1 carboxilasa oxigenasa transporte de electrones temperatura de crecimiento lípidos de membrana campo de fuerza estrés térmico pcc 6803 fotosíntesis
Ubicación del archivo	http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0028389
Materias	fatty-acid-composition d1 protein carboxylase oxygenase electron-transport growth temperature membrane-lipids force-field heat-stress pcc 6803 photosynthesis composición de ácidos grasos proteína d1 carboxilasa oxigenasa transporte de electrones temperatura de crecimiento lípidos de membrana campo de fuerza estrés térmico pcc 6803 fotosíntesis
Disciplinas de la OCDE	Biotecnología agrícola#Biología Molecular#Bioquímica
Título de la cita (Recomendado-único)	Double Mutation in Photosystem II Reaction Centers and Elevated CO2 Grant Thermotolerance to Mesophilic Cyanobacterium
Revista/Libro	PLOS ONE
Tipo de ruta	dorada
Access Rights	acceso abierto
Derechos de acceso	acceso abierto
Identificador alternativo	PMID 22216094
Idioma	en
Identificador del recurso (Mandatado-único)	artículo original
Versión del recurso (Recomendado-único)	versión publicada
Entidad financiadora	Avron-Minerva Foundation for Photosynthesis 7105640201 "Alternative Energy Resources Initiative" of the Weizmann Institute 7204880101 Conicyt, Chile PBCT CTE-06 FONDEF, Chile D03I-1079 Ministry of Education, Youth, and Sports of the Czech Republic MSM6007665808 Grant Agency of the Academy of Sciences of the Czech Republic IAA608170901 South Bohemian Research Center of Aquaculture and Biodiversity of Hydrocenoses CZ.1.05/2.1.00/01.0024
Referencia del Financiador (Mandatado si es aplicable-repetible)	Avron-Minerva Foundation for Photosynthesis 7105640201 "Alternative Energy Resources Initiative" of the Weizmann Institute 7204880101 Conicyt, Chile PBCT CTE-06 FONDEF, Chile D03I-1079 Ministry of Education, Youth, and Sports of the Czech Republic MSM6007665808 Grant Agency of the Academy of Sciences of the Czech Republic IAA608170901 South Bohemian Research Center of Aquaculture and Biodiversity of Hydrocenoses CZ.1.05/2.1.00/01.0024
Editorial	PUBLIC LIBRARY SCIENCE
ISSN	1932-6203
Página de inicio (Recomendado-único)	e28389
Categoría WOS	Multidisciplinary Sciences Ciencias multidisciplinarias
Formato	pdf
Id de Web of Science	WOS:000299684700007