Quando gli ingegneri vogliono velocizzare qualcosa, cercano i "punti di presa, "i passi più lenti di un sistema, e renderli più veloci.

Supponiamo che tu voglia che più acqua scorra attraverso il tuo impianto idraulico. Troverai il tubo più stretto e lo sostituirai con uno più grande.

Molti laboratori stanno tentando questo metodo con la fotosintesi, il processo che le piante e le alghe utilizzano per catturare l'energia solare.

Tutto il nostro cibo e la maggior parte dei nostri combustibili provengono dalla fotosintesi. Man mano che la nostra popolazione aumenta, abbiamo bisogno di più cibo e carburante, richiedendo di migliorare l'efficienza della fotosintesi.

Ma, La dottoressa Atsuko Kanazawa e il Kramer Lab stanno scoprendo che per i sistemi biologici, il metodo "pinch point" può potenzialmente fare più male che bene, perché i punti di pizzicamento sono lì per un motivo. Quindi come si può fare?

ATP sintasi:una straordinaria nanomacchina biologica

Atsuko e i suoi colleghi del MSU-DOE Plant Research Laboratory (PRL) lavorano su questo problema da oltre 15 anni. Si sono concentrati su una minuscola macchina nel cloroplasto chiamata ATP sintasi, un complesso di proteine ​​essenziali per immagazzinare l'energia solare in "molecole ad alta energia" che alimentano la vita sulla Terra.

Quella stessa molecola di ATP e una sintasi di ATP molto simile sono entrambe usate dagli animali, compresi gli umani, crescere, mantenere la salute, e muoviti.

Nelle piante, l'ATP sintasi sembra essere uno dei processi più lenti nella fotosintesi, spesso limitando la quantità di energia che le piante possono immagazzinare.

Rilanciare gli ingranaggi della produzione vegetale

Atsuko pensò, se l'ATP sintasi è un punto critico così importante, cosa succede se fosse più veloce? Sarebbe meglio fare la fotosintesi e darci piante a crescita più rapida?

Anni fa, ha messo le mani su una pianta mutante, chiamato cfq, da un collega. "Aveva una sintasi ATP che funzionava senza sosta, senza rallentare, che era un curioso esempio da indagare. Infatti, in condizioni di laboratorio controllate - luce molto mite e costante, temperatura, e le condizioni dell'acqua:questa pianta mutante è cresciuta più grande della sua cugina selvatica".

Ma quando i ricercatori hanno coltivato la pianta nelle condizioni più varie che sperimenta nella vita reale, ha subito gravi danni, quasi morente.

"In natura, la qualità della luce e della temperatura cambia continuamente, se attraverso le ore che passano, o la presenza di nuvolosità o venti che soffiano tra le foglie, " lei dice.

Le piante rallentano la fotosintesi per un motivo

Le recenti innovazioni del laboratorio Kramer stanno consentendo ad Atusko e ai suoi colleghi di sondare come le condizioni ambientali reali influenzano la crescita delle piante.

La ricerca di Atsuko ora mostra che la lentezza dell'ATP sintasi non è un incidente; è un importante meccanismo di frenata che impedisce alla fotosintesi di produrre sostanze chimiche dannose, chiamate specie reattive dell'ossigeno, che possono danneggiare o uccidere la pianta.

"Si scopre che la luce solare può essere dannosa per le piante, "dice Dave Kramer, Hannah Distinguished Professor e investigatore capo nel laboratorio Kramer.

"Quando le piante non possono utilizzare l'energia luminosa che stanno catturando, la fotosintesi esegue il backup e le sostanze chimiche tossiche si accumulano, potenzialmente distruggendo parti del sistema fotosintetico. È particolarmente pericoloso quando la luce e altre condizioni, come la temperatura, cambiare rapidamente."

L'ATP sintasi rileva questi cambiamenti e rallenta la cattura della luce per prevenire danni. In quella luce, l'ATP veloce del mutante cfq è una cattiva idea per il benessere della pianta.

"È come se ti avessi promesso di far andare più veloce la tua macchina togliendo i freni. Infatti, funzionerebbe, ma solo per poco tempo. Poi le cose vanno molto male." Dice Dave.

"Per migliorare la fotosintesi, ciò di cui abbiamo bisogno non è rimuovere completamente i freni, come in cfq, ma per controllarli meglio, " dice Dave. "In particolare, dobbiamo capire come l'impianto preme sui freni e regolarlo in modo che risponda più velocemente e in modo più efficiente, "Davide dice.

Atsuko aggiunge:"Gli scienziati stanno provando diversi metodi per migliorare la fotosintesi. In definitiva, tutti noi vogliamo affrontare alcuni problemi a lungo termine. In modo cruciale, dobbiamo continuare a nutrire la popolazione della Terra, che sta esplodendo di dimensioni."

Lo studio è pubblicato sulla rivista Frontiere nella scienza delle piante .