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Cómo se ensambla una máquina molecular para convertir la luz en alimento para las plantas

planta de melón
Por primera vez, un equipo de investigación ha descubierto cómo el fotosistema II se compone de más de 100 componentes individuales. Crédito: Pixabay / CC0 Public Domain

La conversión de luz en energía química por parte de plantas y microorganismos fotosintéticos es uno de los procesos más importantes de la naturaleza, que elimina de la atmósfera el CO 2, que daña el clima.


por Ruhr-Universitaet-Bochum


Los complejos de proteínas, los llamados fotosistemas, juegan un papel clave en este proceso. Un equipo de investigación internacional de Ruhr-Universität Bochum (RUB), los Institutos Max Planck de Bioquímica y Biofísica, el Centro de Microbiología Sintética (SYNMIKRO) y el Departamento de Química de la Philipps Universität Marburg, la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, EE. UU., Y Université Paris-Saclay, Francia, arrojó luz por primera vez sobre la estructura y función de un estado de transición en la síntesis del fotosistema II. El estudio fue publicado en línea el 12 de abril de 2021 en la revista Nature Plants..

Catalizador de la vida

El fotosistema II (PS II) es de fundamental importancia para la vida, ya que puede catalizar la división del agua. El oxígeno liberado en esta reacción nos permite respirar. Además, PS II convierte la energía luminosa de tal manera que el CO 2 atmosférico se puede utilizar para sintetizar moléculas orgánicas. Por tanto, PS II representa el comienzo molecular de todas las cadenas alimentarias. Su estructura y función ya se han investigado en detalle, pero hasta ahora se ha sabido poco sobre los procesos moleculares que conducen al ensamblaje ordenado del complejo.

Producción de ensamblajes

PS II consta de más de 100 partes individuales que deben unirse en un proceso bien orquestado para finalmente crear una máquina completamente funcional. Las proteínas auxiliares, los llamados factores de ensamblaje, que son responsables de los pasos secundarios, juegan un papel crucial en este proceso. «Imagínelos como robots en una línea de montaje , por ejemplo haciendo un automóvil», explica el profesor Marc Nowaczyk de la Cátedra RUB de Bioquímica Vegetal. «Cada robot agrega una pieza o ensambla módulos prefabricados para terminar con una máquina perfecta».

Al averiguar cómo se hace esto, la dificultad fue aislar un producto intermedio, incluidos sus auxiliares moleculares, porque tales estados de transición son muy inestables en comparación con el producto terminado y solo están presentes en cantidades muy pequeñas. Solo mediante el uso de trucos, como eliminar una parte de la producción de la línea de montaje, fue posible aislar una etapa intermedia con las proteínas auxiliares asociadas por primera vez.

Cold Insights: microscopía crioelectrónica

Gracias a la microscopía crioelectrónica , se pueden obtener imágenes de estructuras proteicas sensibles, que incluyen estados de transición de PS II, e incluso las partículas de virus más pequeñas. Los datos, publicados en Nature Plants , muestran la estructura molecular de un complejo de transición PS II con hasta tres proteínas auxiliares. «Durante la construcción del modelo estructural PSII, resultó que una de estas proteínas auxiliares causa cambios estructurales previamente desconocidos que finalmente vinculamos a un mecanismo protector novedoso», explica el Dr. Till Rudack del Centro de Diagnóstico de Proteínas (ProDi).

Durante este paso de montaje, PS II solo está parcialmente activo: los procesos inducidos por la luz ya pueden tener lugar, pero la división del agua aún no está activada. Esto, como resultó, conduce a la formación de especies agresivas de oxígeno que pueden dañar el complejo inacabado. Sin embargo, la unión de la proteína auxiliar y el cambio estructural asociado en PS II pueden prevenir la formación de moléculas dañinas y, en consecuencia, proteger el complejo en su fase vulnerable. Otra proteína auxiliara su vez, prepara la activación del mecanismo de división del agua. «Tan pronto como logremos identificar otras etapas intermedias de esta activación, esta podría ser la clave para una comprensión profunda de la división del agua impulsada por la luz molecular. Como resultado, podríamos avanzar en el desarrollo de catalizadores sintéticos para la conversión de energía de la luz del sol en sustancias orgánicas ”, concluyen los autores.



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