I ricercatori della Washington University di St. Louis hanno tracciato i percorsi di tre canali d'acqua in un antico organismo fotosintetico per fornire il primo completo, studio sperimentale di come quell'organismo utilizza e regola l'acqua per creare energia.

La fotosintesi è la conversione chimica della luce solare in energia chimica attraverso una catena di trasporto degli elettroni essenziale per quasi tutta la vita sul nostro pianeta. Tutte le piante operano per fotosintesi, così come le alghe e alcune varietà di batteri.

Himadri B. Pakrasi, Myron e Sonya Glassberg/Albert e Blanche Greensfelder University Distinguished Professor e Direttore, Centro Internazionale per l'Energia, Ambiente e Sostenibilità, ricercatore post-dottorato Daniel A. Weisz, e Michael L. Gross, professore di chimica, ha studiato il bisnonno di tutti gli organismi fotosintetici, un ceppo di cianobatteri, per sviluppare la prima mappa sperimentale del mondo acquatico di quell'organismo.

La scoperta fa avanzare la ricerca sulla fotosintesi, ma presenta anche un progresso nella ricerca sui combustibili verdi:

Per convertire la luce solare in una forma utilizzabile di energia, gli organismi fotosintetici richiedono acqua nel "sito attivo" del complesso proteico del fotosistema II. Ma i canali attraverso i quali l'acqua arriva al sito attivo sono difficili da misurare sperimentalmente. Le specie reattive dell'ossigeno sono prodotte nel sito attivo e si allontanano da esso, nella direzione opposta all'acqua, lasciando una "traccia di danno" nella loro scia.

"Abbiamo identificato i siti danneggiati in Photosystem II utilizzando la spettrometria di massa ad alta risoluzione e abbiamo scoperto che rivelano diversi percorsi centrati sul sito attivo e che portano via da esso fino alla superficie del complesso, " ha detto Weisz, autore principale dell'articolo apparso nel numero del 17 novembre di Progressi scientifici . "Proponiamo che questi percorsi rappresentino canali all'interno del complesso che potrebbero essere utilizzati per fornire acqua al sito attivo".

"Il fotosistema II ha un meccanismo molto complesso, ed è davvero importante comprenderne i processi e l'evoluzione, " disse Pakrasi, che ha condotto ricerche approfondite sui cianobatteri per più di 25 anni. "C'è un crescente interesse per l'energia verde, e la nostra conoscenza del comportamento di questo enzima potrebbe un giorno essere utilizzata per creare un sistema artificiale che imiti il ​​vero enzima per produrre un'abbondante quantità di energia sostenibile".

Il sito attivo di Photosystem II è un ammasso di manganese, ioni calcio e ossigeno sepolti in profondità all'interno del complesso, lontano dal mezzo acquoso della cellula. I ricercatori hanno a lungo ipotizzato che il sito attivo, o cluster di manganese, deve avere un sistema di canali, e teorico, modelli generati da supercomputer hanno debolmente previsto la loro esistenza. Ma il movimento dell'acqua è difficile da caratterizzare sperimentalmente.

I ricercatori hanno preso un percorso tortuoso per delineare i canali. La "traccia del danno" è composta da 36 residui di amminoacidi essenzialmente da tre proteine ​​trovate vicino al cluster di manganese dallo spettrometro di massa altamente sofisticato del chimico Gross, che è stato co-consigliere di dottorato di Weisz insieme a Pakrasi ed è anche nominato alla Washington University School of Medicine per il suo lavoro nella spettrometria di massa. Queste dannose specie reattive dell'ossigeno, noti anche come radicali, emanano e si disperdono dal cluster verso l'esterno verso il mezzo acquoso della cellula. I radicali passano attraverso Photosystem II come un tornado, attaccando e danneggiando i componenti amminoacidici più vicini del Fotosistema II che incontrano lungo il loro percorso.

Poiché i radicali e l'acqua hanno proprietà simili, come la dimensione e l'idrofilia, i ricercatori propongono che i percorsi delle tracce di danno che escono dall'ammasso siano molto simili ai percorsi che l'acqua intraprende verso l'interno verso il sito attivo.

"Stiamo osservando direttamente le strade che prendono i radicali, non quelli dell'acqua, "Ha detto Weisz. "Ma date le proprietà simili dei radicali all'acqua e i precedenti risultati di modellazione al computer, crediamo che quei percorsi siano gli stessi che l'acqua prende verso l'interno."

Un tale approccio alla scoperta dei canali d'acqua è considerato un proxy perché si basa sul movimento dei radicali altamente reattivi e non sull'acqua stessa.

Il procuratore, Weisz ha detto, "è come lasciare una scia di briciole di pane lungo un sentiero nel bosco. Se qualcuno riesce a trovare le briciole di pane, possono ripercorrere il sentiero preso fuori dalla foresta."

I ricercatori sono stati in grado di identificare i numerosi residui danneggiati grazie all'incredibile precisione, velocità e sensibilità dello strumento di spettrometria di massa di Gross. "Con gli strumenti precedenti che erano più lenti e meno sensibili, era più difficile identificare con sicurezza un gran numero di siti danneggiati, "Ha detto Weisz. "Le potenti capacità di questo strumento ci hanno permesso di ottenere questi risultati".

"I cianobatteri sono i progenitori dei cloroplasti nelle piante, " Pakrasi ha detto. "Il fotosistema II è conservato in tutti gli organismi fotosintetici ossigenati. Sappiamo per certo che la natura ha ideato questa macchina solo una volta, poi lo ha trasferito dai cianobatteri alle alghe e alle piante".