Fotosíntesis, que permite que la energía del sol se convierta en azúcares que sustentan la vida, también puede ser peligroso para las plantas 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, lo que les permite disipar la energía extra. Investigadores del MIT y la Universidad de Verona han descubierto cómo la proteína clave en este proceso permite que el musgo y las algas verdes se protejan del exceso de sol.

Los investigadores encontraron que la proteína, incrustado 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 en forma de calor, evitando que se acumule y dañe las células. La proteína puede actuar en cuestión de segundos después 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 estar transitoriamente a la sombra, "dice Gabriela Schlau-Cohen, profesor asistente de química del MIT y autor principal del estudio.

Aprender más sobre cómo funciona esta proteína podría permitir a los científicos alterarla de una manera que promovería más fotosíntesis. aumentando potencialmente el rendimiento de biomasa tanto de cultivos como de algas cultivadas para biocombustibles, Dice Schlau-Cohen.

Toru Kondo, postdoctoral del MIT, es el autor principal del artículo, que aparece en la edición del 17 de julio de Química de la naturaleza . 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, proteínas especializadas conocidas como complejos captadores de luz, con la ayuda de pigmentos como la clorofila, absorben la energía luminosa en forma de fotones. Estos fotones impulsan una serie de reacciones que producen moléculas de azúcar, permitiendo que las plantas almacenen energía para su uso posterior.

La mayoría de las plantas absorben mucha más luz solar de la que realmente pueden usar. En condiciones muy soleadas, convierten solo alrededor del 30 por ciento de la luz solar disponible en azúcar, mientras que el resto se libera en forma de calor.

"En condiciones soleadas, las plantas tienen energía que es demasiado para la capacidad del resto de la maquinaria molecular, "Schlau-Cohen dice

Si se permite que esta energía permanezca en las células vegetales, crea moléculas dañinas llamadas radicales libres que pueden dañar las proteínas y otras moléculas celulares importantes.

Hace varios años se descubrió que una proteína llamada complejo de captación de luz relacionado con el estrés 1 (LHCSR1) es el actor principal en la fotoprotección que ocurre en escalas de tiempo cortas (segundos a 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 luz. Sin embargo, se desconocía el mecanismo de funcionamiento de esta fotoprotección.

En este estudio, Schlau-Cohen y sus colegas utilizaron un microscopio muy sensible que puede analizar proteínas individuales para determinar cómo reacciona la proteína LHCSR1 que se encuentra en el musgo a diferentes condiciones de luz. Descubrieron que la proteína puede asumir tres conformaciones distintas, que corresponden a diferentes funciones.

En condiciones nubladas o con sombra, LHCSR1 simplemente absorbe fotones y pasa la energía al resto de la maquinaria fotosintética. Cuando sale el sol y aumenta la ingesta energética, LHCSR1 cambia a otra conformación en segundos. Este cambio es causado por una disminución del pH, que ocurre cuando se generan demasiados iones de hidrógeno por división del agua durante la fotosíntesis.

Cuando esto ocurre, la proteína se bloquea en una estructura rígida que le permite convertir más de la energía luminosa absorbida en calor, a través de un mecanismo que no se conoce completamente.

La fotoprotección también se puede activar más gradualmente mediante otro mecanismo de retroalimentación que involucra el pH. Una disminución del pH activa una enzima que cambia 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 circuito de retroalimentación dentro del organismo. El pH es una respuesta de escala de tiempo corta, y la composición molecular es una respuesta de escala de tiempo más larga, ", Dice Schlau-Cohen.

Impulsar la fotosíntesis

Las plantas verdes tienden a activar la fotoprotección muy rápidamente en respuesta al sol, y tardan en apagarlo, Dice Schlau-Cohen. Que ayuda a las plantas a sobrevivir, pero significa que no están produciendo tanta biomasa como podrían. Un estudio publicado en Science en noviembre pasado mostró que acelerar la capacidad de las plantas para desactivar la fotoprotección podría impulsar la producción de biomasa en un 15 por ciento en condiciones naturales de campo.

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 sin dejar de ofrecer algo de fotoprotección.

"La fotoprotección es fundamental para el fitness, así que si eliminas la fotoprotección por completo, no crecen muy bien, ", Dice Schlau-Cohen." Podemos ver qué partes de este proceso son responsables de qué partes del bucle fotoprotector, y luego podemos ser un poco más inteligentes acerca de lo que sobreexpresamos y lo que noqueamos ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.