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Para apagar o no apagar: Comprender el papel de una proteína del fotosistema cianobacteriano


Las cianobacterias, comúnmente conocidas como algas verdeazuladas, son los primeros organismos en la tierra que aprendieron a extraer electrones del agua y convertir la luz solar en energía utilizable a través de la fotosíntesis.


por la Universidad de Okayama


Utilizando las cianobacterias como organismo modelo, los detalles de la fotosíntesis, el proceso clave que respalda todas las formas de vida avanzada en la Tierra, se han estudiado durante muchas décadas. Y todos los estudios, a pesar de sus diferencias, revelan una cosa: que es un proceso asombrosamente preciso, que consta de numerosas reacciones pequeñas ejecutadas por muchas proteínas y sus combinaciones. Sin embargo, los detalles a nivel molecular de muchos de estos pasos todavía no se entienden muy bien.

La captura y transmisión de energía inicial es uno de esos pasos que aún contiene muchas preguntas sin respuesta. Al comienzo de un ciclo fotosintético, las proteínas especiales en la membrana de las cianobacterias absorben la energía solar y luego transfieren esta energía a otras proteínas celulares. Este es el proceso de ‘cosecha ligera’. Como el exceso de energía puede dañar la célula, algunas proteínas participan en la disipación del exceso de energía, un proceso conocido como «enfriamiento de energía». Estos son procesos estrechamente coordinados, con transferencia de energía entre diferentes moléculas que tiene lugar muy rápidamente, en unas pocas decenas de picosegundos. En las cianobacterias, dos sistemas de reacción, los Photosystems (PS) I y II, trabajan juntos para capturar la energía de la luz solar.

Ahora, en un nuevo estudio publicado en Communications Biology , un equipo de científicos dirigido por el profesor asociado Fusamichi Akita de la Universidad de Okayama, Japón, ha investigado la estructura de PSI de la cianobacteria Thermosynechococcus vulcanus, formada bajo una condición deficiente de hierro, para descifrar el papel de una proteína clave llamada proteína A inducible por estrés de hierro o «IsiA» en la fotosíntesis.

En la membrana cianobacteriana, IsiA aparece en condiciones de bajo nivel de hierro y se combina con un núcleo trimérico de PSI para realizar el paso de recolección de luz. Muy parecido a un corredor en una carrera de relevos, IsiA «dona» o transfiere la energía capturada al núcleo trimérico de PSI que realiza el paso posterior en el proceso de fotosíntesis. Se cree que, además de funcionar como un «recolector de energía», IsiA también funciona como un «apagador» que elimina el exceso de energía como calor cuando la intensidad de la luz es demasiado alta para que las células crezcan.

El Dr. Akita explica qué los hizo interesados ​​en la función de IsiA, afirmando que «aunque IsiA ha sido considerado como el donante y el desactivador de energía durante mucho tiempo, el camino de estos procesos no está claro. Además, los datos acumulados hasta el momento sugieren una historia diferente, lo que indica una posibilidad contrastante de que, en realidad, IsiA esté involucrado en la transferencia de energía o en los procesos de enfriamiento, pero no en ambos pasos «.

Para responder a la primera pregunta, el equipo usó primero una técnica llamada microscopía electrónica criogénica de una sola partícula, y determinó la estructura del supercomplejo que IsiA forma con el núcleo trimérico de PSI y muchas otras moléculas en ausencia de hierro. Descubrieron que 18 copias de IsiA se unen para formar un anillo que rodea el núcleo trimérico de PSI. Como resultado de este acuerdo, se formaron varias rutas posibles de transferencia de energía desde IsiA al núcleo de PSI, y se determinó que una ruta que tenía la tasa más rápida de transferencia de energía sirviera como la ruta principal a través de la cual la energía se mueve de IsiA a PSI núcleo.

Para resolver el resto del rompecabezas sobre si IsiA también funciona como un interruptor, los científicos utilizaron una técnica espectroscópica llamada decadencia de fluorescencia resuelta en el tiempo de femtosegundos. El resultado de este estudio descartó la posibilidad de que se produzca un apagado de energía en el supercomplejo central IsiA-PSI, lo que confirma el papel de IsiA como recolector y donante de energía.

Al destacar la importancia de este emocionante estudio, el Dr. Akita afirma: «Estos hallazgos estructurales y espectroscópicos proporcionan información importante sobre la disposición molecular y los mecanismos de transferencia de energía en los fotosistemas de las cianobacterias. Una comprensión más profunda de cómo se realiza la transferencia de energía fotosintética ayudará a desarrollar nuevos dispositivos de energía basados ​​en la fotosíntesis «.

Se requieren más estudios que comparen las diferencias entre especies en los sistemas de PSI antes de que podamos generalizar estos hallazgos, pero por ahora, los resultados de este estudio han dejado descansar un debate polarizador sobre la función de IsiA.


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