Nuove scoperte sui microbi chiamati cianobatteri presentano nuove opportunità per la scienza delle piante, la bioingegneria e la protezione ambientale

I ricercatori della Michigan State University e i colleghi dell'Università della California a Berkeley, dell'Università della Boemia del Sud e del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno contribuito a rivelare il quadro più dettagliato fino ad oggi di importanti "antenne" biologiche.

La natura ha sviluppato queste strutture per sfruttare l'energia del sole attraverso la fotosintesi, ma questi ricevitori di luce solare non appartengono alle piante. Si trovano nei microbi conosciuti come cianobatteri, i discendenti evolutivi dei primi organismi sulla Terra in grado di assorbire luce solare, acqua e anidride carbonica e trasformarli in zuccheri e ossigeno.

Pubblicato il 31 agosto sulla rivista Nature , i risultati gettano immediatamente nuova luce sulla fotosintesi microbica, in particolare su come l'energia luminosa viene catturata e inviata dove è necessaria per alimentare la conversione dell'anidride carbonica in zuccheri. Andando avanti, le informazioni potrebbero anche aiutare i ricercatori a porre rimedio ai batteri nocivi nell'ambiente, a sviluppare sistemi fotosintetici artificiali per l'energia rinnovabile e ad arruolare i microbi in una produzione sostenibile che inizia con le materie prime di anidride carbonica e luce solare.

"C'è molto interesse nell'usare i cianobatteri come fabbriche a energia solare che catturano la luce solare e la convertono in una sorta di energia che può essere utilizzata per realizzare prodotti importanti", ha affermato Cheryl Kerfeld, Hannah Distinguished Professor di bioingegneria strutturale presso il College of Natural Scienza. "Con un progetto come quello che abbiamo fornito in questo studio, puoi iniziare a pensare a mettere a punto e ottimizzare la componente di raccolta della luce della fotosintesi."

"Una volta che vedi come funziona qualcosa, hai un'idea migliore di come modificarla e manipolarla. Questo è un grande vantaggio", ha affermato Markus Sutter, un ricercatore senior associato al Kerfeld Lab, che opera presso MSU e Berkeley Lab a California.

Le strutture dell'antenna cianobatterica, chiamate ficobilisomi, sono raccolte complesse di pigmenti e proteine, che si assemblano in complessi relativamente massicci.

Per decenni, i ricercatori hanno lavorato per visualizzare i diversi elementi costitutivi dei ficobilisomi per cercare di capire come sono messi insieme. I ficobilisomi sono fragili e richiedono questo approccio frammentario. Storicamente, i ricercatori non sono stati in grado di ottenere le immagini ad alta risoluzione di antenne intatte necessarie per capire come catturano e conducono l'energia luminosa.

Ora, grazie a un team internazionale di esperti e ai progressi in una tecnica nota come microscopia crioelettronica, la struttura di un'antenna per la raccolta della luce cianobatterica è disponibile con una risoluzione quasi atomica. Il team comprendeva ricercatori di MSU, Berkeley Lab, University of California, Berkeley e University of South Bohemia nella Repubblica Ceca.

"Siamo stati fortunati ad essere un team composto da persone con competenze complementari, persone che hanno lavorato bene insieme", ha affermato Kerfeld, che è anche membro del Laboratorio di ricerca sulle piante MSU-DOE, supportato dal Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti. "Il gruppo aveva la giusta chimica."

'Un lungo viaggio pieno di belle sorprese'

"Questo lavoro è una svolta nel campo della fotosintesi", ha affermato Paul Sauer, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di microscopia elettronica criogenica della professoressa Eva Nogales presso Berkeley Lab e UC Berkeley.

"Finora mancava la struttura completa di raccolta della luce dell'antenna di un cianobatteri", ha detto Sauer. "La nostra scoperta ci aiuta a capire come l'evoluzione ha trovato il modo di trasformare l'anidride carbonica e la luce in ossigeno e zucchero nei batteri, molto prima che esistesse qualsiasi pianta sul nostro pianeta."

Insieme a Kerfeld, Sauer è l'autore corrispondente del nuovo articolo. Il team ha documentato diversi risultati degni di nota, tra cui la ricerca di una nuova proteina ficobilisoma e l'osservazione di due nuovi modi in cui il ficobilisoma orienta i suoi bastoncelli che catturano la luce che non erano stati risolti prima.

"Sono 12 pagine di scoperte", ha detto María Agustina Domínguez-Martín di Natura rapporto. In qualità di ricercatore post-dottorato presso il Kerfeld Lab, Domínguez-Martín ha avviato lo studio presso la MSU e lo ha portato a termine presso il Berkeley Lab. Attualmente è all'Università di Cordoba in Spagna nell'ambito della borsa di studio post-dottorato Marie Skłowdoska-Curie. "È stato un lungo viaggio pieno di belle sorprese."

Una sorpresa, ad esempio, è arrivata nel modo in cui una proteina relativamente piccola può fungere da limitatore di sovratensione per l'enorme antenna. Prima di questo lavoro, i ricercatori sapevano che il ficobilisoma poteva racchiudere molecole chiamate proteine ​​carotenoidi arancioni, o OCP, quando il ficobilisoma aveva assorbito troppa luce solare. Gli OCP rilasciano l'energia in eccesso sotto forma di calore, proteggendo il sistema fotosintetico di un cianobatterio dalla combustione.

Fino ad ora, c'è stato un dibattito su quanti OCP potrebbe legarsi il ficobilisoma e dove fossero quei siti di legame. La nuova ricerca risponde a queste domande fondamentali e offre spunti potenzialmente pratici.

Questo tipo di sistema di protezione contro le sovratensioni, che è chiamato fotoprotezione e ha analoghi nel mondo vegetale, tende naturalmente ad essere uno spreco. I cianobatteri sono lenti a disattivare la loro fotoprotezione dopo che ha fatto il suo lavoro. Ora, con il quadro completo di come funziona il limitatore di sovratensione, i ricercatori possono progettare modi per progettare una fotoprotezione "intelligente" e meno dispendiosa, ha affermato Kerfeld.

E, nonostante abbiano contribuito a rendere il pianeta abitabile per gli esseri umani e per innumerevoli altri organismi che hanno bisogno di ossigeno per sopravvivere, i cianobatteri hanno un lato oscuro. I cianobatteri che fioriscono nei laghi, negli stagni e nei bacini idrici possono produrre tossine mortali per gli ecosistemi nativi, nonché per gli esseri umani e i loro animali domestici. Avere un progetto su come i batteri non solo raccolgono l'energia solare, ma si proteggono anche da una quantità eccessiva di essa potrebbe ispirare nuove idee per attaccare le fioriture dannose.

Oltre alle nuove risposte e alle potenziali applicazioni offerte da questo lavoro, i ricercatori sono anche entusiasti delle nuove domande che solleva e della ricerca che potrebbe ispirare.

"Se pensi a questo come ai Lego, puoi continuare a costruire, giusto? Le proteine ​​e i pigmenti sono come blocchi che formano il ficobilisoma, ma poi fa parte del fotosistema, che è nella membrana cellulare, che fa parte dell'intera cellula ", ha detto Sutter. "Stiamo salendo la scala della scala in un certo senso. Abbiamo trovato qualcosa di nuovo sul nostro gradino, ma non possiamo dire di aver sistemato il sistema."

"Abbiamo risposto ad alcune domande, ma abbiamo aperto le porte ad altre e, per me, questo è ciò che lo rende una svolta", ha detto Domínguez-Martín. "Sono entusiasta di vedere come si sviluppa il campo da qui". + Esplora ulteriormente

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