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La comprensión de la generación de energía en la fotosíntesis puede conducir a cultivos más resistentes

La comprensión de la generación de energía en la fotosíntesis puede conducir a cultivos más resistentes
Relé de grupos de hierro-azufre (cubanos rojo-amarillo) que conectan electrones de ferredoxina (Fd) a plastoquinona (Q) en el complejo fotosintético I de cianobacterias (esquemáticamente mostrado en verde). Los trazos de resonancia de doble electrón-electrón (DEER) de ejemplo se muestran en azul: DEER es la técnica de EPR de pulso utilizada para asignar las propiedades de los grupos a su ubicación en la estructura de la proteína. Crédito: Imperial College London

Un estudio sobre el proceso de producción de energía en las plantas podría ayudar a diseñar cultivos más resistentes al estrés o bacterias que producen productos farmacéuticos.


por Hayley Dunning, Imperial College London


Un equipo de investigadores, dirigido por el Imperial College de Londres y la Universidad Queen Mary de Londres, ha trazado un mapa de un proceso clave en la conversión de energía en las plantas.

El estudio, publicado hoy en Nature Communications , podría ayudar a los científicos a mejorar la capacidad de recuperación de cultivos importantes y diseñar bacterias que puedan producir compuestos útiles como productos farmacéuticos de manera más sostenible.

Todas las células, ya sean vegetales o animales, utilizan una sustancia química llamada trifosfato de adenosina (ATP) como moneda de energía. Los animales como los humanos producen ATP a través del proceso de respiración, mientras que las plantas usan la fotosíntesis para convertir la luz solar en ATP.

Hay un paso intermedio en el proceso en las células vegetales, donde la energía de la luz se usa para crear un «gradiente de protones», que luego ayuda a crear ATP. El gradiente de protones es como la altura del agua en una presa hidroeléctrica: es una forma de » energía potencial «, que luego se convierte en la unidad de energía química de ATP.

Sin embargo, no se comprende bien cómo se crea el gradiente de protones en primer lugar. Esto es particularmente cierto para una parte de la maquinaria molecular que utilizan las plantas en este proceso, llamada complejo fotosintético 1 (PS-C1).

Mapeo de la transferencia de electrones

Los investigadores saben que las plantas, incluidas muchas plantas de cultivo importantes, utilizan PS-C1 para aumentar la producción de ATP en momentos de alto estrés, ayudándoles a seguir creciendo en condiciones difíciles como poca luz, sequía o altas temperaturas.

Ahora, el equipo detrás del nuevo estudio ha mapeado cómo funciona un proceso de transferencia de electrones requerido para configurar un gradiente de protones en PS-C1, proporcionando información clave sobre cómo las plantas y las bacterias fotosintéticas pueden obtener energía adicional.

El investigador principal, el Dr. Maxie Roessler, del Departamento de Química de Imperial, dijo: «Con este estudio contribuimos a comprender cómo las células convierten la energía potencial en gradientes de protones en energía química, un proceso que sustenta casi toda la vida en la tierra».

El codirector, el Dr. Guy Hanke, de la Universidad Queen Mary, agregó: «En última instancia, esperamos que comprender cómo funciona PS-C1 nos permitirá a nosotros y a otros investigadores manipular bacterias fotosintéticas con fines biotecnológicos. Esto podría incluir el apoyo a las demandas energéticas necesario para producir compuestos de alto valor como los productos farmacéuticos de una manera más sostenible «.

El equipo de investigación espera que una mejor comprensión de PS-C1 ayude en última instancia a desarrollar cultivos que puedan resistir mejor las tensiones inducidas por el cambio climático, como las fluctuaciones de temperatura y la sequía.

Aprovechar los recursos energéticos adicionales

PS-C1 está incrustado en la membrana de los cloroplastos vegetales, lo que le permite controlar el movimiento de moléculas a través de la membrana. Los investigadores sabían que PS-C1 debe actuar como una «bomba de protones» para crear el gradiente de protones a través de la membrana, pero ha sido difícil de estudiar cómo lo hace, ya que PS-C1 es una máquina molecular tan grande y compleja.

Para estudiar PS-C1, el equipo utilizó una técnica llamada espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR) para mapear la posición de electrones individuales (no apareados). La transferencia de electrones entre partes de PS-C1 impulsa el movimiento de protones, por lo que mapear la ruta de transferencia de electrones ayuda a proporcionar información sobre la forma en que los protones se mueven a través de la membrana.

El equipo espera que este estudio fundamental abra la puerta a una mayor comprensión de cómo funciona esta máquina molecular y de las posibles formas de aprovechar su capacidad para crear recursos energéticos adicionales para las plantas y bacterias que utilizan la fotosíntesis.

«La base funcional del transporte de electrones dentro del complejo fotosintético I», de Katherine Richardson et al., Se publica en Nature Communications .



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