Carbon/Nitrogen Metabolic Balance: Lessons from Cyanobacteria

Resumo

O carbono e o nitrogênio são os dois elementos nutricionais mais abundantes para todos os organismos vivos, e seu metabolismo é fortemente associado. Quais são os mecanismos de sinalização que as células usam para detectar e controlar o balanço metabólico de carbono/nitrogênio (C/N) após mudanças ambientais? Com base em estudos em cianobactérias, verificou-se que o 2-fosfoglicolato derivado da atividade oxigenase da Rubisco (Ribulose-1,5-Bisphosphate carboxylase/oxygenase) e 2-oxoglutarato do ciclo de Krebs atuam como os sinais de falta de carbono e nitrogênio, respectivamente, e sua razão de concentração provavelmente reflete o status do balanço metabólico C/N. Apresentaremos e discutiremos os princípios regulatórios subjacentes aos mecanismos de sinalização, que provavelmente serão semelhantes em outros organismos fotossintéticos. Esses conceitos também podem contribuir para o desenvolvimento no campo da engenharia de biocombustíveis ou melhorias na produtividade das culturas.

Abstract

Carbon and nitrogen are the two most abundant nutrient elements for all living organisms, and their metabolism is tightly coupled. What are the signaling mechanisms that cells use to sense and control the carbon/nitrogen (C/N) metabolic balance following environmental changes? Based on studies in cyanobacteria, it was found that 2-phosphoglycolate derived from the oxygenase activity of Rubisco (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) and 2-oxoglutarate from the Krebs cycle act as the carbon- and nitrogen-starvation signals, respectively, and their concentration ratio likely reflects the status of the C/N metabolic balance. We will present and discuss the regulatory principles underlying the signaling mechanisms, which are likely to be conserved in other photosynthetic organisms. These concepts may also contribute to developments in the field of biofuel engineering or improvements in crop productivity.