Estudio sobre la fotoprotección puede beneficiar el rendimiento de la materia prima de biocombustibles
Estudio sobre la fotoprotección puede beneficiar el rendimiento de la materia prima de biocombustibles
Por Anne Trafton, MIT | 25 de julio de 2017
Los investigadores han descubierto cómo el musgo y las algas verdes pueden protegerse de demasiado sol.
MIT
La fotosíntesis, que permite que la energía del sol se convierta en azúcares que sustentan la vida, también puede ser peligrosa para los planes verdes. Si absorben demasiada luz solar, la energía extra destruye su tejido.
Para combatir esto, las plantas verdes han desarrollado un mecanismo de defensa conocido como fotoprotección, que les permite disipar la energía extra. Investigadores del MIT y la Universidad de Verona han descubierto ahora cómo la proteína clave en este proceso permite que el musgo y las algas verdes se protejan de demasiado sol.
Los investigadores descubrieron que la proteína, incrustada en las membranas del cloroplasto, puede cambiar entre diferentes estados en respuesta a los cambios en la luz solar. Cuando el musgo y las algas verdes absorben más luz solar de la que necesitan, esta proteína libera la energía como calor, evitando que se acumule y dañe las células. La proteína puede actuar en cuestión de segundos de un cambio en la exposición al sol, como cuando el sol aparece detrás de una nube.
"Estos mecanismos fotoprotectores han evolucionado a partir del hecho de que la luz solar no es constante. Hay días soleados; Hay días nublados Las nubes pueden pasar brevemente, o la planta puede transitoriamente en la sombra ", dijo Gabriela Schlau-Cohen, un profesor asistente de química del MIT y el autor principal del estudio.
Saber más sobre cómo funciona esta proteína podría permitir que los científicos la alteren de una manera que promueva más fotosíntesis, potencialmente aumentando el rendimiento de biomasa de ambos cultivos y algas cultivadas para biocombustibles, dice Schlau-Cohen.
MIT postdoc Toru Kondo es el principal autor del documento, que aparece en Nature Chemistry. Otros autores son el estudiante graduado del MIT, Wei Jia Chen, y los investigadores de la Universidad de Verona, Alberta Pinnola, Luca Dall'Osto y Roberto Bassi.
Demasiado de una cosa buena
Durante la fotosíntesis, las proteínas especializadas conocidas como complejos de recolección de luz, con la ayuda de pigmentos como la clorofila, absorben la energía luminosa en forma de fotones. Estos fotones conducen una serie de reacciones que producen moléculas de azúcar, permitiendo que las plantas almacenen energía para uso posterior.
La mayoría de las plantas absorben mucho más luz solar de la que realmente pueden usar. En condiciones muy soleadas, convierten sólo alrededor del 30 por ciento de la luz solar disponible en azúcar, mientras que el resto se libera como calor.
"Bajo condiciones soleadas, las plantas tienen energía sentada alrededor de eso es demasiado para la capacidad del resto de la maquinaria molecular", dice Schlau-Cohen.
Si se permite que esta energía permanezca en las células vegetales, crea moléculas nocivas llamadas radicales libres que pueden dañar las proteínas y otras moléculas celulares importantes.
Se descubrió hace varios años que una proteína llamada luz-cosecha complejo estrés-relacionado 1 (LHCSR1) es el jugador principal en la fotoprotección que ocurre sobre las escalas de tiempo cortas (segundos a los minutos) en algas verdes y musgo. Esta proteína está incrustada en las membranas del cloroplasto e interactúa con la clorofila y los carotenoides, otro tipo de pigmento absorbente de la luz. Sin embargo, el mecanismo de cómo funciona esta fotoprotección no se conocía.
En este estudio, Schlau-Cohen y sus colegas utilizaron un microscopio muy sensible que puede analizar proteínas individuales para determinar cómo la proteína LHCSR1 encontrada en el musgo reacciona a diferentes condiciones de luz. Descubrieron que la proteína puede asumir tres conformaciones distintas, que corresponden a diferentes funciones.
Bajo condiciones nubladas o sombreadas, el LHCSR1 simplemente absorbe los fotones y pasa la energía al resto de la maquinaria fotosintética. Cuando sale el sol y aumenta la ingesta de energía, LHCSR1 cambia a otra conformación en cuestión de segundos. Este interruptor es causado por una disminución en el pH, que ocurre cuando se generan demasiados iones de hidrógeno por la separación de agua durante la fotosíntesis.
Cuando esto ocurre, la proteína se bloquea en una estructura rígida que le permite convertir más calor de la energía luminosa absorbida a través de un mecanismo que no es totalmente conocido.
La fotoprotección también puede activarse de forma más gradual por otro mecanismo de realimentación que implica el pH. Una disminución del pH activa una enzima que modifica la composición molecular de un carotenoide que interactúa con LHCSR1. Esto lleva a la proteína a favorecer y estabilizar su estado fotoprotector.
"Ambos estados están controlados por un bucle de retroalimentación dentro del organismo. El pH es una respuesta de escala temporal corta, y la composición molecular es una respuesta de escala de tiempo más larga ", dice Schlau-Cohen.
Aumentar la fotosíntesis
Las plantas verdes tienden a activar la fotoprotección muy rápidamente en respuesta al sol, y son lentas para apagarlo, dice Schlau-Cohen. Eso ayuda a las plantas a sobrevivir, pero significa que no están produciendo tanta biomasa como podían. Un estudio publicado en Science en noviembre pasado mostró que acelerar la capacidad de las plantas para desactivar la fotoprotección podría aumentar la producción de biomasa en un 15 por ciento en condiciones de campo natural.
Los colegas de Schlau-Cohen en la Universidad de Verona ahora están creando versiones mutadas de la proteína LHCSR1, que los investigadores planean probar para ver si tienen la capacidad de producir más biomasa mientras siguen ofreciendo alguna fotoprotección.
"La fotoprotección es crítica para la aptitud, por lo que si eliminan la fotoprotección por completo no crecen muy bien", dice Schlau-Cohen. "Podemos mirar qué partes de este proceso son responsables de qué partes del bucle fotoprotector, y entonces podemos ser un poco más inteligentes sobre lo que overexpress y lo que knock out".
La investigación fue financiada por el Centro para Excitonics, un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos; Un premio Global Scholar de Azaria de CIFAR; Y la Comunidad Económica Europea proyectos AccliPhot y SE2B.
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Estudio sobre la fotoprotección puede beneficiar el rendimiento de la materia prima de biocombustibles
Por Anne Trafton, MIT | 25 de julio de 2017
Los investigadores han descubierto cómo el musgo y las algas verdes pueden protegerse de demasiado sol.
MIT
La fotosíntesis, que permite que la energía del sol se convierta en azúcares que sustentan la vida, también puede ser peligrosa para los planes verdes. Si absorben demasiada luz solar, la energía extra destruye su tejido.
Para combatir esto, las plantas verdes han desarrollado un mecanismo de defensa conocido como fotoprotección, que les permite disipar la energía extra. Investigadores del MIT y la Universidad de Verona han descubierto ahora cómo la proteína clave en este proceso permite que el musgo y las algas verdes se protejan de demasiado sol.
Los investigadores descubrieron que la proteína, incrustada en las membranas del cloroplasto, puede cambiar entre diferentes estados en respuesta a los cambios en la luz solar. Cuando el musgo y las algas verdes absorben más luz solar de la que necesitan, esta proteína libera la energía como calor, evitando que se acumule y dañe las células. La proteína puede actuar en cuestión de segundos de un cambio en la exposición al sol, como cuando el sol aparece detrás de una nube.
"Estos mecanismos fotoprotectores han evolucionado a partir del hecho de que la luz solar no es constante. Hay días soleados; Hay días nublados Las nubes pueden pasar brevemente, o la planta puede transitoriamente en la sombra ", dijo Gabriela Schlau-Cohen, un profesor asistente de química del MIT y el autor principal del estudio.
Saber más sobre cómo funciona esta proteína podría permitir que los científicos la alteren de una manera que promueva más fotosíntesis, potencialmente aumentando el rendimiento de biomasa de ambos cultivos y algas cultivadas para biocombustibles, dice Schlau-Cohen.
MIT postdoc Toru Kondo es el principal autor del documento, que aparece en Nature Chemistry. Otros autores son el estudiante graduado del MIT, Wei Jia Chen, y los investigadores de la Universidad de Verona, Alberta Pinnola, Luca Dall'Osto y Roberto Bassi.
Demasiado de una cosa buena
Durante la fotosíntesis, las proteínas especializadas conocidas como complejos de recolección de luz, con la ayuda de pigmentos como la clorofila, absorben la energía luminosa en forma de fotones. Estos fotones conducen una serie de reacciones que producen moléculas de azúcar, permitiendo que las plantas almacenen energía para uso posterior.
La mayoría de las plantas absorben mucho más luz solar de la que realmente pueden usar. En condiciones muy soleadas, convierten sólo alrededor del 30 por ciento de la luz solar disponible en azúcar, mientras que el resto se libera como calor.
"Bajo condiciones soleadas, las plantas tienen energía sentada alrededor de eso es demasiado para la capacidad del resto de la maquinaria molecular", dice Schlau-Cohen.
Si se permite que esta energía permanezca en las células vegetales, crea moléculas nocivas llamadas radicales libres que pueden dañar las proteínas y otras moléculas celulares importantes.
Se descubrió hace varios años que una proteína llamada luz-cosecha complejo estrés-relacionado 1 (LHCSR1) es el jugador principal en la fotoprotección que ocurre sobre las escalas de tiempo cortas (segundos a los minutos) en algas verdes y musgo. Esta proteína está incrustada en las membranas del cloroplasto e interactúa con la clorofila y los carotenoides, otro tipo de pigmento absorbente de la luz. Sin embargo, el mecanismo de cómo funciona esta fotoprotección no se conocía.
En este estudio, Schlau-Cohen y sus colegas utilizaron un microscopio muy sensible que puede analizar proteínas individuales para determinar cómo la proteína LHCSR1 encontrada en el musgo reacciona a diferentes condiciones de luz. Descubrieron que la proteína puede asumir tres conformaciones distintas, que corresponden a diferentes funciones.
Bajo condiciones nubladas o sombreadas, el LHCSR1 simplemente absorbe los fotones y pasa la energía al resto de la maquinaria fotosintética. Cuando sale el sol y aumenta la ingesta de energía, LHCSR1 cambia a otra conformación en cuestión de segundos. Este interruptor es causado por una disminución en el pH, que ocurre cuando se generan demasiados iones de hidrógeno por la separación de agua durante la fotosíntesis.
Cuando esto ocurre, la proteína se bloquea en una estructura rígida que le permite convertir más calor de la energía luminosa absorbida a través de un mecanismo que no es totalmente conocido.
La fotoprotección también puede activarse de forma más gradual por otro mecanismo de realimentación que implica el pH. Una disminución del pH activa una enzima que modifica la composición molecular de un carotenoide que interactúa con LHCSR1. Esto lleva a la proteína a favorecer y estabilizar su estado fotoprotector.
"Ambos estados están controlados por un bucle de retroalimentación dentro del organismo. El pH es una respuesta de escala temporal corta, y la composición molecular es una respuesta de escala de tiempo más larga ", dice Schlau-Cohen.
Aumentar la fotosíntesis
Las plantas verdes tienden a activar la fotoprotección muy rápidamente en respuesta al sol, y son lentas para apagarlo, dice Schlau-Cohen. Eso ayuda a las plantas a sobrevivir, pero significa que no están produciendo tanta biomasa como podían. Un estudio publicado en Science en noviembre pasado mostró que acelerar la capacidad de las plantas para desactivar la fotoprotección podría aumentar la producción de biomasa en un 15 por ciento en condiciones de campo natural.
Los colegas de Schlau-Cohen en la Universidad de Verona ahora están creando versiones mutadas de la proteína LHCSR1, que los investigadores planean probar para ver si tienen la capacidad de producir más biomasa mientras siguen ofreciendo alguna fotoprotección.
"La fotoprotección es crítica para la aptitud, por lo que si eliminan la fotoprotección por completo no crecen muy bien", dice Schlau-Cohen. "Podemos mirar qué partes de este proceso son responsables de qué partes del bucle fotoprotector, y entonces podemos ser un poco más inteligentes sobre lo que overexpress y lo que knock out".
La investigación fue financiada por el Centro para Excitonics, un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos; Un premio Global Scholar de Azaria de CIFAR; Y la Comunidad Económica Europea proyectos AccliPhot y SE2B.
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