Utilizzando tecniche di diffusione di neutroni non distruttive, gli scienziati stanno esaminando come gli organismi unicellulari chiamati cianobatteri producono ossigeno e ottengono energia attraverso la fotosintesi.

I collaboratori della Washington University di St. Louis e dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno conducendo una serie di esperimenti per studiare il comportamento dei ficobilisomi, grandi complessi proteici antenna nelle cellule di cianobatteri, utilizzando il Bio-SANS strumento, linea di luce CG-3, presso il reattore isotopico ad alto flusso del laboratorio (HFIR). I ficobilisomi raccolgono la luce per avviare la fotosintesi, e una migliore comprensione di questo processo potrebbe aiutare i ricercatori a progettare pannelli solari più efficienti e altre strutture artificiali che imitano i sistemi naturali.

I neutroni possono analizzare queste delicate strutture senza danneggiarle o ucciderle e con una precisione spaziale maggiore rispetto ad altre tecniche come la microscopia.

"Con Bio-SANS, possiamo effettivamente vedere cosa sta succedendo a livello di nanoscala in tempo reale in una cellula vivente, ", ha affermato il ricercatore dell'ORNL Hugh O'Neill.

I ficobilisomi si attaccano alle membrane cellulari dove avvengono le reazioni dipendenti dalla luce della fotosintesi. La modifica dei complessi antenna dei ficobilisomi può avere conseguenze drammatiche e di vasta portata nei cianobatteri.

"Siamo interessati a modificare questi sistemi di antenne e osservare i conseguenti cambiamenti strutturali, ", ha detto Michelle Liberton della Washington University.

Durante le precedenti visite all'ORNL, il team ha alterato artificialmente i ficobilisomi eliminando alcuni geni nelle cellule. Queste modifiche hanno causato difetti strutturali nelle membrane cellulari e altri drastici cambiamenti nella fisiologia cellulare.

Ora stanno modificando naturalmente i complessi dell'antenna privando i cianobatteri di azoto, un nutriente essenziale per le loro funzioni di base. Questo processo di esaurimento fa diminuire le dimensioni dell'antenna, che a sua volta porta a significativi riarrangiamenti cellulari e modifiche negli strati di membrana.

Questa catena di eventi si verifica perché le cellule scompongono i ficobilisomi e li usano come fonte di azoto alternativa per sopravvivere.

"Il complesso dell'antenna del ficobilisoma è un enorme deposito di micronutrienti nelle cellule, " ha spiegato Liberton. "Quando il complesso degrada, le cellule hanno accesso a materiali che non possono più ottenere dall'ambiente".

Determinando la portata di questi cambiamenti, il team spera di comprendere meglio la relazione struttura-funzione tra l'organizzazione cellulare e la modificazione naturale. Questi processi possono essere immediatamente invertiti restituendo azoto alle cellule.

I ricercatori intendono confrontare questi risultati con quelli registrati dai loro studi genetici per esplorare le differenze tra modifiche artificiali e naturali e i loro effetti sulla composizione intracellulare dei cianobatteri.

Questi risultati supportano il Centro di ricerca sull'antenna fotosintetica (PARC), un Energy Frontier Research Center finanziato dal DOE con sede presso la Washington University dal 2009. Il centro riunisce una rete internazionale di esperti del mondo accademico e delle strutture di ricerca, compreso ORNL, studiare i sistemi di antenne e il loro ruolo nella fotosintesi.

"A livello fondamentale, questa ricerca è correlata a come i sistemi naturali efficienti utilizzano la luce solare, ", ha affermato Volker Urban, scienziato dello strumento Bio-SANS e collaboratore del PARC.

Tali intuizioni sono preziose per i contributori del PARC che sperano di migliorare la tecnologia sostenibile ispirata al mondo naturale.