Credito:Imperial College London
I ricercatori hanno studiato il modo in cui alcuni batteri eseguono la fotosintesi utilizzando luce a bassa energia, che potrebbe essere ingegnerizzata nelle colture per aumentare la produzione.
Studiando il modo in cui due batteri svolgono la difficile chimica della fotosintesi, un team guidato da ricercatori Imperiali ha scoperto i compromessi che fanno quando usano la luce a bassa energia. Ciò potrebbe informare l'ingegneria genetica delle piante che mira a rendere più efficiente la produzione di colture e biomassa.
Piante, alghe e cianobatteri (alghe blu-verdi) eseguono la fotosintesi per convertire la luce e CO2 in zuccheri e ossigeno. Un enzima chiamato fotosistema II esegue la prima fase di questo processo, utilizzando la luce per estrarre elettroni dall'acqua e alimentarli nel macchinario fotosintetico.
La maggior parte degli organismi esegue la fotosintesi utilizzando la luce visibile, che raccolgono grazie a un pigmento chiamato clorofilla-a. L'energia contenuta nella luce visibile è stata a lungo considerata l'energia minima necessaria per eseguire la dura chimica dell'estrazione di elettroni dall'acqua.
Tuttavia, ci sono alcuni cianobatteri che eseguono la fotosintesi utilizzando la luce rossa lontana a bassa energia invece della luce visibile. Dare a piante e alghe la capacità di utilizzare la luce rossa lontana potrebbe rendere più efficiente la produzione di colture e biomassa, poiché la luce rossa lontana consuma meno energia ed è abbondante.
La capacità di utilizzare sia la luce visibile che quella del rosso lontano in condizioni diverse sarebbe anche una proprietà desiderabile per le piante coltivate e le alghe, ma i ricercatori dovevano capire se ci fossero compromessi o compromessi nei sistemi in grado di farlo.
Fotosintesi del lontano rosso
Il team ha studiato i cianobatteri che eseguono la fotosintesi utilizzando la luce rosso lontano invece della luce visibile. Acaryochloris marina vive sotto uno squirt verde, al riparo dalla luce visibile ma esposto a una luce rosso lontano stabile, che raccoglie utilizzando il pigmento clorofilla-d invece della clorofilla-a.
Altri cianobatteri scoperti di recente possono eseguire la fotosintesi utilizzando la clorofilla-a quando è presente la luce visibile e quindi passare all'utilizzo del pigmento clorofilla-f, che assorbe anche la luce rosso lontano, quando ombreggiato dalla luce visibile.
Nel 2018, i ricercatori guidati da un team dell'Imperial hanno scoperto che in uno di questi cianobatteri, la Chrococcidiopsis Thermalis, il fotosistema II può fare la chimica dura utilizzando esclusivamente l'energia inferiore fornita dalla luce rossa lontana.
Ora, in uno studio pubblicato su eLife , i ricercatori guidati dallo stesso team dell'Imperial hanno dimostrato che il fotosistema II dei cianobatteri che utilizzano il pigmento clorofilla-f è meno efficiente nel raccogliere e utilizzare la luce rossa lontana rispetto al fotosistema II di quelli che utilizzano la clorofilla-d, ma che è più protetto dai dannosi effetti collaterali della troppa luce.
Il ricercatore capo, il professor Bill Rutherford, del Dipartimento di scienze della vita dell'Imperial, ha affermato:"L'ingegneria delle piante coltivate o delle alghe che potrebbero utilizzare la fotosintesi del lontano rosso può aiutare a stimolare la produzione di cibo e biomassa.
"Il nostro studio è un primo passo importante per comprendere i compromessi tra efficienza e resilienza nei sistemi che possono utilizzare la luce rossa lontana. Queste informazioni potrebbero aiutare i ricercatori a determinare quali caratteristiche sarebbero utili e in quali condizioni".
Confronto della fotosintesi
Il team ha scoperto che il fotosistema II di Acaryochloris marina, che vive in condizioni costantemente ombreggiate e utilizza sempre la clorofilla-d, è efficiente nella raccolta e nell'utilizzo della luce rossa lontana. Tuttavia, se esposto a una luce eccessiva, viene sopraffatto e produce specie reattive dell'ossigeno dannose, che possono uccidere le cellule.
Il fotosistema II di Chroococidiopsis Thermalis, che utilizza la clorofilla-f solo quando la luce visibile è assente o scarsa, è meno efficiente di quello di Acaryochloris marina nella raccolta e nell'utilizzo della luce rosso lontano. Tuttavia, se esposto a una luce eccessiva, non produce in eccesso specie reattive nocive dell'ossigeno.
Il fotosistema clorofilla-f II di Chroocuccidiopsis thermalis rappresenta quindi un compromesso diverso rispetto al fotosistema clorofilla-d II di Acaryochloris marina:fotosintesi del rosso lontano meno efficiente ma migliore stabilità e resilienza ai danni in condizioni di forte luce.
La dott.ssa Stefania Viola, ricercatrice post-dottorato presso il Dipartimento di Scienze della Vita dell'Imperial e prima autrice dello studio, ha affermato:"La nostra ricerca suggerisce che i due tipi di fotosistema II del lontano rosso pagano un prezzo diverso per poter lavorare con meno energia , e che questo dovrebbe essere considerato quando si pianifica di introdurre la fotosintesi del rosso lontano nelle piante coltivate o nelle alghe.
"Il prossimo passo per noi è capire i meccanismi molecolari e chimici responsabili delle differenze funzionali tra i due tipi di fotosistema II del lontano rosso". + Esplora ulteriormente
