Actualidad Botánica y Genética Estados Unidos

Entender cómo las plantas usan la luz del sol


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 las proteínas críticas. 


Nancy W. Stauffer, Instituto de Tecnología de Massachusetts

Para protegerse, convierten el exceso de energía en calor y lo envían de vuelta. Bajo ciertas condiciones, pueden rechazar hasta el 70 por ciento de toda la energía solar que absorben.

“Si las plantas no desperdiciaran tanta energía del sol innecesariamente, podrían estar produciendo más biomasa”, dice Gabriela S. Schlau-Cohen, profesora asistente de química de desarrollo de carrera de Cabot. De hecho, los científicos estiman que las algas podrían crecer hasta un 30 por ciento más de material para su uso como biocombustible. Lo que es más importante, el mundo podría aumentar los rendimientos 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 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 reconfigurar ese proceso para optimizar la producción general de biomasa y cultivos”, dice Schlau-Cohen. “Podríamos controlar ese interruptor para hacer que las plantas sean menos vacilantes para cerrar la protección. Todavía podrían estar protegidas en cierta medida, e incluso si murieran algunas personas, habría un aumento en la productividad de la población restante”.

Primeros pasos de la fotosíntesis.

Para los primeros pasos de la fotosíntesis, las proteínas se denominan complejos de captación 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 que llega al llamado centro de reacción, donde genera reacciones químicas que dividen el agua en oxígeno gaseoso, que se libera, y partículas cargadas positivamente llamadas protones, que permanecen. Los protones activan la producción de una enzima que impulsa la formación de carbohidratos ricos en energía necesarios para alimentar el metabolismo de la planta.

Entender cómo las plantas usan la luz del sol.
Las figuras izquierda y media ilustran el comportamiento de fluorescencia de las proteínas LHCSR enriquecidas con Vio y Zea. Estas figuras muestran las distribuciones de probabilidad de la intensidad de 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 las proteínas enriquecidas con Vio cuando se las somete a un pH más bajo que en la figura de la izquierda, por lo tanto un aumento en la concentración de protones en las condiciones de replicación en la luz solar brillante. 
Crédito: Instituto de Tecnología de Massachusetts

Pero a la luz del sol, los protones pueden formarse más rápidamente de lo que la enzima puede usarlos, y los protones acumulados indican 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 captación de luz relacionado con el estrés, o LHCSR, cuyo trabajo es intervenir. Si la acumulación de protones indica que se está recogiendo demasiada luz solar, el LHCSR acciona el interruptor y parte de la energía se disipa como calor.

Es una forma altamente efectiva de filtro solar para plantas, pero el LHCSR es reacio a apagar esa configuración de enfriamiento. Cuando el sol está brillando, el LHCSR se ha apagado. Cuando una nube que pasa o una bandada de pájaros bloquea el sol, puede apagarlo y absorber toda la luz solar disponible. Pero en cambio, el LHCSR lo deja encendido, en caso de que el sol vuelva repentinamente. Como resultado, las plantas rechazan una gran cantidad de energía que podrían estar utilizando para construir más material vegetal.

Un éxito evolutivo.

Gran parte de la investigación se ha centrado en el mecanismo de enfriamiento que regula el flujo de energía dentro de una hoja para evitar daños. Optimizado por 3.5 billones de años de evolución, sus capacidades son impresionantes. Primero, puede tratar con insumos de energía que varían enormemente. 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, por ejemplo, al amanecer, y los que ocurren en segundos, por ejemplo, debido a una nube pasajera.

Los investigadores están de acuerdo en que una de las claves para la extinción 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 de Vio en condiciones de poca luz y moléculas de Zea en condiciones de alta luz. La conversión de Vio a Zea cambiaría varias propiedades electrónicas de los carotenoides, lo que podría explicar la activación de la extinción. Sin embargo, no sucede lo suficientemente rápido para responder a una nube pasajera. Ese tipo de cambio rápido podría ser una respuesta directa a la acumulación de protones, lo que causa una diferencia en el pH de una región del LHCSR a otra.

Aclarar experimentalmente esos mecanismos de fotoprotección ha resultado ser difícil. El examen del comportamiento de muestras que contienen miles de proteínas no proporciona información sobre el comportamiento a nivel molecular porque se producen varios mecanismos de extinción simultáneamente y en diferentes escalas de tiempo, y en algunos casos, tan rápidamente que son difíciles o imposibles de observar experimentalmente.

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Este microscopio especialmente diseñado es capaz de detectar la fluorescencia de proteínas LHCSR 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, el postdoctorado Toru Kondo y el estudiante graduado Wei Jia Chen, decidieron tomar otra táctica. Centrándose 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 aquellas ricas en Zea, responden a la luz, y lo hicieron 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 una investigación anterior, habían descubierto cómo purificar las proteínas individuales que juegan un papel clave en la extinción. Por lo tanto, pudieron proporcionar muestras de LHCSR individuales, algunas enriquecidas con carotenoides Vio y otras con carotenoides Zea.

Para probar la respuesta a la exposición a la luz, el equipo de Schlau-Cohen usa un láser para hacer brillar los pulsos de luz de picosegundos en un solo LHCSR. Usando un microscopio altamente sensible, pueden detectar la fluorescencia emitida en respuesta. Si el LHCSR está en modo apagado, convertirá gran parte de la energía entrante en calor y la expulsará. Poco o nada de energía será reemitido como fluorescencia. Pero si el LHCSR está en modo apagado, toda la luz entrante saldrá como fluorescencia.

“Así que no estamos midiendo la extinción directamente”, dice Schlau-Cohen. “Estamos usando disminuciones en la fluorescencia como una firma de extinción. A medida que la fluorescencia disminuye, la extinción 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 Zea a la luz láser pulsada utilizando dos medidas: la intensidad de la fluorescencia (según la cantidad de fotones que detectan en un milisegundo) y su vida útil ( basado en el tiempo de llegada de los fotones individuales).

Más información: John I. Ogren et al. Impacto de la bicapa lipídica en la cinética de transferencia de energía en la proteína fotosintética LH2, Chemical Science (2018). DOI: 10.1039 / C7SC04814A

Toru Kondo et al. La espectroscopia de molécula única de la dinámica de la proteína LHCSR1 identifica dos estados distintos responsables de la fotoprotección fotosintética de múltiples escalas temporales, Nature Chemistry (2017). DOI: 10.1038 / nchem.2818 

Referencia del diario: química ciencia naturaleza química  

Proporcionado por: Massachusetts Institute of Technology

Información de: phys.org


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