La profesora Gabriela S. Schlau-Cohen (centro) y los estudiantes graduados Raymundo Moya (izquierda) y Wei Jia Chen trabajaron con colaboradores en la Universidad de Verona, Italia, para desarrollar una nueva comprensión de los mecanismos por los cuales las plantas rechazan el exceso de energía que absorben de la luz solar para que no dañe las proteínas clave. Los conocimientos adquiridos podrían algún día conducir a aumentos críticamente necesarios en los rendimientos de biomasa y cultivos. Crédito:Stuart Darsch
Las plantas dependen de la energía de la luz solar para producir los nutrientes que necesitan. Pero a veces absorben más energía de la que pueden usar, y ese exceso puede dañar proteínas críticas. Para protegerse convierten el exceso de energía en calor y lo devuelven. Bajo algunas condiciones, pueden rechazar hasta el 70 por ciento de toda la energía solar que absorben.
"Si las plantas no desperdiciaran tanta energía solar innecesariamente, podrían estar produciendo más biomasa, "dice Gabriela S. Schlau-Cohen, el Profesor Asistente de Desarrollo de Carrera de Cabot de Química. En efecto, los científicos estiman que las algas podrían producir hasta un 30 por ciento más de material para su uso como biocombustible. Más importante, el mundo podría aumentar el rendimiento de los cultivos, un cambio necesario para evitar el déficit significativo entre la producción agrícola y la demanda de alimentos que se espera para 2050.
El desafío ha sido averiguar exactamente cómo funciona el sistema de fotoprotección en las plantas a nivel molecular, en los primeros 250 picosegundos del proceso de fotosíntesis. (Un picosegundo es una billonésima de segundo).
"Si pudiéramos entender cómo la energía absorbida se convierte en calor, podríamos volver a cablear ese proceso para optimizar la producción general de biomasa y cultivos, ", dice Schlau-Cohen." Podríamos controlar ese interruptor para que las plantas se muestren menos indecisas a la hora de apagar la protección. Todavía podrían estar protegidos hasta cierto punto, e incluso si algunas personas murieran, habría un aumento en la productividad de la población restante ".
Primeros pasos de la fotosíntesis
Para los primeros pasos de la fotosíntesis son fundamentales las proteínas llamadas complejos captadores de luz, o LHC. Cuando la luz del sol golpea una hoja, cada fotón (partícula de luz) entrega energía que excita un LHC. Esa excitación pasa de un LHC a otro hasta llegar a un llamado centro de reacción, donde impulsa reacciones químicas que dividen el agua en gas oxígeno, que se lanza, y partículas cargadas positivamente llamadas protones, que quedan. Los protones activan la producción de una enzima que impulsa la formación de carbohidratos ricos en energía necesarios para impulsar el metabolismo de la planta.
Las figuras de la izquierda y del medio ilustran el comportamiento de fluorescencia de las proteínas LHCSR enriquecidas con Vio y Zea Estas figuras muestran distribuciones de probabilidad de la intensidad de la fluorescencia y la vida útil de experimentos con cientos de proteínas LHCSR individuales enriquecidas con carotenoides Vio (izquierda) o carotenoides Zea (centro) . La figura de la derecha ilustra la respuesta de fluorescencia a los cambios de pH. Esta figura muestra la respuesta de proteínas enriquecidas con Vio cuando se someten a un pH más bajo que en la figura de la izquierda, por lo tanto, un aumento en las condiciones de replicación de la concentración de protones a la luz del sol brillante. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Pero a la luz del sol brillante los protones pueden formarse más rápidamente de lo que la enzima puede usarlos, y la acumulación de protones indica que el exceso de energía se está absorbiendo y puede dañar componentes críticos de la maquinaria molecular de la planta. Entonces, algunas plantas tienen un tipo especial de LHC, llamado complejo de recolección de luz relacionado con el estrés, o LHCSR — cuyo trabajo es intervenir. Si la acumulación de protones indica que se está recolectando demasiada luz solar, el LHCSR acciona el interruptor, y parte de la energía se disipa en forma de calor.
Es una forma muy eficaz de protector solar para plantas, pero el LHCSR se resiste a desactivar esa configuración de enfriamiento. Cuando el sol brilla intensamente, el LHCSR tiene activado el apagado. Cuando una nube pasajera o una bandada de pájaros bloquea el sol, podría apagarlo y absorber toda la luz solar disponible. Pero en vez, el LHCSR lo deja encendido, por si acaso el sol vuelve de repente. Como resultado, las plantas rechazan mucha energía que podrían estar usando para construir más material vegetal.
Un éxito evolutivo
Mucha investigación se ha centrado en el mecanismo de extinción que regula el flujo de energía dentro de una hoja para evitar daños. Optimizado por 3.5 mil millones de años de evolución, sus capacidades son impresionantes. Primero, puede lidiar con insumos de energía muy variables. En un solo día la intensidad del sol puede aumentar y disminuir en un factor de 100 o incluso 1, 000. Y puede reaccionar a los cambios que ocurren lentamente con el tiempo, digamos, al amanecer, y los que suceden en cuestión de segundos, por ejemplo, debido a una nube que pasa.
Los investigadores coinciden en que una clave para apagar es un pigmento dentro del LHCSR, llamado carotenoide, que puede tomar dos formas:violaxantina (Vio) y zeaxantina (Zea). Han observado que las muestras de LHCSR están dominadas por moléculas Vio en condiciones de poca luz y moléculas de Zea en condiciones de mucha luz. La conversión de Vio a Zea cambiaría varias propiedades electrónicas de los carotenoides, lo que podría explicar la activación del enfriamiento. Sin embargo, no sucede lo suficientemente rápido como para responder a una nube que pasa. Ese tipo de cambio rápido podría ser una respuesta directa a la acumulación de protones, lo que provoca una diferencia en el pH de una región del LHCSR a otra.
Aclarar experimentalmente esos mecanismos de fotoprotección ha resultado difícil. Examinar el comportamiento de muestras que contienen miles de proteínas no proporciona información sobre el comportamiento a nivel molecular porque varios mecanismos de extinción ocurren simultáneamente y en diferentes escalas de tiempo y, en algunos casos, tan rápido que son difíciles o imposibles de observar experimentalmente.
Este microscopio especialmente diseñado es capaz de detectar la fluorescencia de proteínas LHCSR individuales unidas a un cubreobjetos de vidrio. Crédito:Stuart Darsch
Probando el comportamiento de las proteínas una a la vez
Schlau-Cohen y sus colegas de química del MIT, postdoctorado Toru Kondo y estudiante de posgrado Wei Jia Chen, decidió tomar otro rumbo. Centrándonos en el LHCSR que se encuentra en las algas verdes y el musgo, examinaron las diferencias en la forma en que las proteínas relacionadas con el estrés ricas en Vio y las ricas en Zea responden a la luz, y lo hicieron de una proteína a la vez.
Según Schlau-Cohen, Su enfoque fue posible gracias al trabajo de su colaborador Roberto Bassi y sus colegas Alberta Pinnola y Luca Dall'Osto en la Universidad de Verona. en Italia. En investigaciones anteriores, habían descubierto cómo purificar las proteínas individuales conocidas por desempeñar un papel clave en la extinción. Por lo tanto, pudieron proporcionar muestras de LHCSR individuales, algunos enriquecidos con carotenoides Vio y otros con carotenoides Zea.
Para probar la respuesta a la exposición a la luz, El equipo de Schlau-Cohen usa un láser para hacer brillar pulsos de luz de picosegundos en un solo LHCSR. Usando un microscopio de alta sensibilidad, luego pueden detectar la fluorescencia emitida en respuesta. Si el LHCSR está en modo de apagado, convertirá gran parte de la energía entrante en calor y la expulsará. Quedará poca o ninguna energía para ser reemitida como fluorescencia. Pero si el LHCSR está en modo de apagado, toda la luz entrante saldrá como fluorescencia.
"Así que no estamos midiendo el enfriamiento directamente, ", dice Schlau-Cohen." Estamos utilizando la disminución de la fluorescencia como una señal de extinción. A medida que baja la fluorescencia, el enfriamiento aumenta ".
Usando esa técnica, Los investigadores del MIT examinaron los dos mecanismos de extinción propuestos:la conversión de Vio en Zea y una respuesta directa a una alta concentración de protones.
Para abordar el primer mecanismo, caracterizaron la respuesta de los LHCSR ricos en Vio y ricos en Zea a la luz láser pulsada utilizando dos medidas:la intensidad de la fluorescencia (basada en la cantidad de fotones que detectan en un milisegundo) y su vida útil (basada en el tiempo de llegada de los fotones individuales).
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.
