Usando técnicas de dispersión de neutrones no destructivas, Los científicos están examinando cómo los organismos unicelulares llamados cianobacterias producen oxígeno y obtienen energía a través de la fotosíntesis.

Colaboradores de la Universidad de Washington en St. Louis y del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) están llevando a cabo una serie de experimentos para estudiar el comportamiento de los ficobilisomas (complejos de proteínas de antenas grandes en células de cianobacterias) utilizando Bio-SANS instrumento, línea de luz CG-3, en el reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) del laboratorio. Los ficobilisomas recolectan luz para iniciar la fotosíntesis, y una mejor comprensión de este proceso podría ayudar a los investigadores a diseñar paneles solares más eficientes y otras estructuras artificiales que imiten los sistemas naturales.

Los neutrones pueden analizar estas delicadas estructuras sin dañarlas ni matarlas y con más precisión espacial que otras técnicas como la microscopía.

"Con Bio-SANS, De hecho, podemos ver lo que está sucediendo a nivel de nanoescala en tiempo real en una célula viva, ", dijo el investigador de ORNL, Hugh O'Neill.

Los ficobilisomas se adhieren a las membranas celulares donde tienen lugar las reacciones de fotosíntesis dependientes de la luz. Cambiar los complejos de antenas de los ficobilisomas puede tener consecuencias dramáticas y de gran alcance en las cianobacterias.

"Estamos interesados ​​en modificar estos sistemas de antenas y observar los cambios estructurales resultantes, ", dijo Michelle Liberton de la Universidad de Washington.

Durante visitas anteriores a ORNL, el equipo alteró artificialmente los ficobilisomas eliminando ciertos genes en las células. Estas modificaciones provocaron defectos estructurales en las membranas celulares y otros cambios drásticos en la fisiología celular.

Ahora están modificando naturalmente los complejos de antenas al privar a las cianobacterias de nitrógeno, un nutriente imprescindible para sus funciones básicas. Este proceso de agotamiento hace que la antena disminuya de tamaño, lo que a su vez conduce a importantes reordenamientos y modificaciones celulares en las capas de la membrana.

Esta cadena de eventos ocurre porque las células descomponen los ficobilisomas y los usan como una fuente alternativa de nitrógeno para sobrevivir.

"El complejo de antenas de ficobilisomas es una gran reserva de micronutrientes en las células, "Liberton explicó." Cuando el complejo se degrada, las células tienen acceso a materiales que ya no pueden obtener del medio ambiente ".

Al determinar el alcance de estos cambios, el equipo espera comprender mejor la relación estructura-función entre la organización celular y la modificación natural. Estos procesos se pueden revertir inmediatamente restaurando nitrógeno en las células.

Los investigadores planean comparar estos resultados con los registrados de sus estudios genéticos para explorar las diferencias entre las modificaciones artificiales y naturales y sus efectos sobre la composición intracelular de las cianobacterias.

Estos hallazgos apoyan el Centro de Investigación de Antenas Fotosintéticas (PARC), un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía financiado por el DOE con sede en la Universidad de Washington desde 2009. El centro reúne una red internacional de expertos de la academia y las instalaciones de investigación, incluyendo ORNL, estudiar los sistemas de antenas y su papel en la fotosíntesis.

"En el nivel fundamental, esta investigación está relacionada con cómo los sistemas naturales eficientes utilizan la luz solar, ", dijo el científico de instrumentos Bio-SANS y colaborador de PARC, Volker Urban.

Estos conocimientos son invaluables para los contribuyentes de PARC que esperan mejorar la tecnología sostenible inspirada en el mundo natural.