Los científicos de la Universidad de Washington en St. Louis han descubierto una estrategia previamente desconocida que utilizan los organismos fotosintéticos para protegerse de los peligros de la luz excesiva, proporcionando una mayor comprensión de la fotosíntesis y abriendo nuevas vías para la ingeniería de este proceso, que subyace en la cadena alimentaria mundial.
La bacteria fotosintética Chlorobaculum tepidum prospera en las profundidades libres de oxígeno o en los sedimentos de los lagos. De hecho, el oxígeno puede envenenarlo al dañar su sensible centro de reacción, que convierte la energía de la luz en energía química. Para sobrevivir, la bacteria debe tener una respuesta finamente ajustada aluz y oxígeno que se pueden subir o bajar según sea necesario.
Este "control de volumen fotosintético" permite que la bacteria sobreviva a la exposición al oxígeno, cuando la luz podría dañarla.
Robert Blankenship, Profesor Distinguido Lucille P. Markey de Artes y Ciencias en Biología y Química, cuyo equipo de investigación descubrió este nuevo mecanismo, cree que la nueva visión podría ayudar a los científicos a diseñar otros organismos verdes para que también toleren el oxígeno o les proporcionen másformas de disipar energía no deseada.
Los resultados se informan en la edición del 20 de junio de la Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Un misterio de larga data
Clorobaculum se adapta a la vida en el olor a sulfuro oloroso de los lodos del fondo del lago donde hay poco o nada de oxígeno. Si se expone al oxígeno, la bacteria debe tener una forma de cerrar la fotosíntesis al desviar la energía de su centro de reacción -- el corazón de la fotosíntesis donde la energía de la luz se convierte en energía molecular que la célula puede usar
La cantidad de energía que golpea el centro de reacción está controlada por extensos "complejos de antena". Estas enormes redes de proteínas y clorofila canalizan la energía hacia el centro de reacción, como las grandes series de espejos que concentran la luz solar en un solo punto en las torres solares.
Las plantas y otros organismos fotosintéticos suelen depender de pigmentos adicionales, como los carotenoides naranjas, para absorber y dispersar de forma segura el exceso de energía, actuando como una especie de protector solar molecular. Este proceso se denomina enfriamiento rápido y, durante más de 20 años, los científicossabía que la antena de proteína FMO dentro Clorobaculum podría apagarse, pero que lo hizo sin carotenoides u otras protecciones conocidas. No tenían idea de cómo lo hizo.
Los investigadores propusieron que modificaciones raras de aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, podrían explicar la capacidad de enfriamiento de FMO, pero no tenían forma de probar esta idea.
"Fue realmente un misterio durante mucho tiempo", dijo Blankenship. "Sabíamos que era un gran efecto. Pero no había forma de que pudiéramos descubrir cómo funcionaba realmente".
una solución inteligente
El misterio permaneció sin resolver hasta que los avances en la espectrometría de masas de proteínas permitieron a Gregory Orf, un erudito postdoctoral en el laboratorio Blankenship y ahora en la Universidad Estatal de Arizona, sondear con precisión los aminoácidos en el interior de la proteína FMO.
Allí, Orf no encontró los aminoácidos complejos y modificados que los científicos sospechaban que explicarían el enfriamiento, sino simplemente dos cisteínas normales, uno de los 20 aminoácidos estándar.
"Noté que los únicos aminoácidos que tenían alguna diferencia significativa en la reactividad con y sin oxígeno eran estas dos cisteínas, y son las únicas dos cisteínas en toda la proteína", dijo Orf.
Las cisteínas estaban al lado de las dos clorofilas más cercanas al centro de reacción, una buena ubicación para un interruptor de encendido / apagado fotosintético.
Los investigadores descubrieron que si modificaban estas cisteínas para que no pudieran responder al oxígeno, o los sustituían con aminoácidos menos activos, el efecto de extinción desaparecía. Cada cisteína contribuía con su propio efecto, pero también actuaban cooperativamente, produciendouna respuesta de enfriamiento mayor que la suma de sus partes.
"Creemos que cuando hay oxígeno alrededor, la cisteína puede robar un electrón excitado de su clorofila cercana para liberar esa energía luminosa en forma de calor inofensivo", dijo Orf.
Este mecanismo de enfriamiento basado en cisteína, que es nuevo en el campo, puede ofrecer una forma elegante de diseñar la tolerancia al oxígeno en otros organismos fotosintéticos, como las algas productoras de biocombustibles, o en sistemas fotosintéticos "artificiales".
"Esa es la importancia de este trabajo, creo, aparte de tratar de entender cómo funciona esta bacteria fotosintética", dijo Blankenship.
"Este mecanismo bastante simple para activar y desactivar la transferencia de energía podría diseñarse en varios sistemas diferentes"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington en St. Louis . Original escrito por Eric Hamilton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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