Los investigadores han estudiado cómo ciertas bacterias realizan la fotosíntesis utilizando luz de baja energía, que podría modificarse en los cultivos para aumentar la producción.

Al estudiar la forma en que dos bacterias realizan la difícil química de la fotosíntesis, un equipo dirigido por investigadores de Imperial descubrió las compensaciones que hacen cuando usan luz de menor energía. Esto podría informar la ingeniería genética de plantas que tiene como objetivo hacer que la producción de cultivos y biomasa sea más eficiente.

Las plantas, las algas y las cianobacterias (algas verdeazuladas) realizan la fotosíntesis para convertir la luz y el CO₂ en azúcares y oxígeno. Una enzima llamada fotosistema II realiza el primer paso de este proceso, utilizando la luz para extraer electrones del agua y alimentarlos a la maquinaria fotosintética.

La mayoría de los organismos realizan la fotosíntesis utilizando luz visible, que recogen gracias a un pigmento llamado clorofila-a. La energía contenida en la luz visible se ha considerado durante mucho tiempo como la energía mínima requerida para realizar la dura química de extraer electrones del agua.

Sin embargo, hay algunas cianobacterias que realizan la fotosíntesis utilizando luz roja lejana de menor energía en lugar de luz visible. Dar a las plantas y algas la capacidad de usar luz roja lejana podría hacer que la producción de cultivos y biomasa sea más eficiente, ya que la luz roja lejana consume menos energía y es abundante.

La capacidad de usar tanto la luz visible como la luz roja lejana en diferentes condiciones también sería una propiedad deseable para las plantas de cultivo y las algas, pero los investigadores necesitaban comprender si existían compensaciones o compromisos en los sistemas que pueden hacer esto.

Fotosíntesis del rojo lejano

El equipo estudió las cianobacterias que realizan la fotosíntesis utilizando luz roja lejana en lugar de luz visible. Acaryochloris marina vive debajo de un ascidio verde, protegido de la luz visible pero expuesto a la luz estable del rojo lejano, que recolecta utilizando el pigmento clorofila-d en lugar de clorofila-a.

Otras cianobacterias recientemente descubiertas pueden hacer la fotosíntesis usando clorofila-a cuando hay luz visible y luego cambiar a usar el pigmento clorofila-f, que también absorbe la luz roja lejana, cuando está a la sombra de la luz visible.

En 2018, los investigadores dirigidos por un equipo de Imperial descubrieron que en una de estas cianobacterias, Chroococcidiopsis thermalis, el fotosistema II puede realizar la química dura utilizando únicamente la energía más baja proporcionada por la luz roja lejana.

Ahora, en un estudio publicado en eLife , investigadores dirigidos por el mismo equipo de Imperial han demostrado que el fotosistema II de las cianobacterias que usan el pigmento clorofila-f es menos eficiente para recolectar y usar luz roja lejana que el fotosistema II de las que usan clorofila-d, pero que es más protegido de los efectos secundarios dañinos de demasiada luz.

El investigador principal, el profesor Bill Rutherford, del Departamento de Ciencias de la Vida de Imperial, dijo:"La ingeniería de plantas de cultivo o algas que podrían usar la fotosíntesis del rojo lejano puede ayudar a impulsar la producción de alimentos y biomasa".

"Nuestro estudio es un primer paso importante para comprender las compensaciones entre eficiencia y resiliencia en sistemas que pueden usar luz roja lejana. Estos conocimientos podrían ayudar a los investigadores a determinar qué características serían beneficiosas y en qué condiciones".

Comparando la fotosíntesis

El equipo descubrió que el fotosistema II de Acaryochloris marina, que vive en condiciones de sombra constante y siempre usa clorofila-d, es eficiente para recolectar y usar luz roja lejana. Sin embargo, cuando se expone a un exceso de luz, se ve abrumado y produce especies reactivas de oxígeno dañinas, que pueden matar las células.

El fotosistema II de Chroococcidiopsis thermalis, que usa clorofila-f solo cuando la luz visible está ausente o es escasa, es menos eficiente que el de Acaryochloris marina para recolectar y usar luz roja lejana. Sin embargo, cuando se expone a un exceso de luz, no produce en exceso especies reactivas de oxígeno dañinas.

Por lo tanto, el fotosistema II de clorofila-f de Chroococcidiopsis thermalis representa una compensación diferente en comparación con el fotosistema II de clorofila-d de Acaryochloris marina:fotosíntesis de rojo lejano menos eficiente pero mejor estabilidad y resistencia al daño en condiciones de luz intensa.

La Dra. Stefania Viola, investigadora postdoctoral en el Departamento de Ciencias de la Vida de Imperial y primera autora del estudio, dijo:"Nuestra investigación sugiere que los dos tipos de fotosistema II de rojo lejano pagan un precio diferente por poder trabajar con menos energía. , y que esto debe tenerse en cuenta al planificar la introducción de la fotosíntesis de rojo lejano en plantas de cultivo o algas.

"El siguiente paso para nosotros es comprender los mecanismos moleculares y químicos responsables de las diferencias funcionales entre los dos tipos de fotosistema II de rojo lejano". + Explora más

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