Fotosintesi, che consente di convertire l'energia del sole in zuccheri che sostengono la vita, può anche essere pericoloso per le piante verdi. Se assorbono troppa luce solare, l'energia extra distrugge il loro tessuto.

Per combattere questo, le piante verdi hanno sviluppato un meccanismo di difesa noto come fotoprotezione, che consente loro di dissipare l'energia extra. I ricercatori del MIT e dell'Università di Verona hanno ora scoperto come la proteina chiave in questo processo consente al muschio e alle alghe verdi di proteggersi dal troppo sole.

I ricercatori hanno scoperto che la proteina, incorporato nelle membrane del cloroplasto, può passare da uno stato all'altro in risposta ai cambiamenti della luce solare. Quando il muschio e le alghe verdi assorbono più luce solare del necessario, questa proteina rilascia l'energia sotto forma di calore, impedendogli di accumularsi e danneggiare le cellule. La proteina può agire entro pochi secondi da un cambiamento nell'esposizione al sole, come quando il sole appare da dietro una nuvola.

"Questi meccanismi fotoprotettivi si sono evoluti dal fatto che la luce solare non è costante. Ci sono giorni di sole; ci sono giorni nuvolosi. Le nuvole possono passare brevemente, o la pianta può essere transitoriamente all'ombra, "dice Gabriela Schlau-Cohen, un assistente professore di chimica del MIT e l'autore senior dello studio.

Imparare di più su come funziona questa proteina potrebbe consentire agli scienziati di alterarla in modo da promuovere una maggiore fotosintesi, potenzialmente aumentando la resa in biomassa sia delle colture che delle alghe coltivate per i biocarburanti, Schlau-Cohen dice.

Il postdoc del MIT Toru Kondo è l'autore principale dell'articolo, che appare nel numero del 17 luglio di Chimica della natura . Altri autori sono il dottorando del MIT Wei Jia Chen e la ricercatrice dell'Università di Verona Alberta Pinnola, Luca Dall'Osto, e Roberto Bassi.

Troppo di una cosa buona

Durante la fotosintesi, proteine ​​specializzate note come complessi di raccolta della luce, con l'aiuto di pigmenti come la clorofilla, assorbono energia luminosa sotto forma di fotoni. Questi fotoni guidano una serie di reazioni che producono molecole di zucchero, consentendo alle piante di immagazzinare energia per un uso successivo.

La maggior parte delle piante assorbe molta più luce solare di quanta ne possa effettivamente utilizzare. In condizioni molto soleggiate, convertono solo il 30% circa della luce solare disponibile in zucchero, mentre il resto viene rilasciato sotto forma di calore.

"In condizioni di sole, le piante hanno energia in giro che è troppa per la capacità del resto del macchinario molecolare, " dice Schlau-Cohen

Se questa energia può rimanere nelle cellule vegetali, crea molecole dannose chiamate radicali liberi che possono danneggiare le proteine ​​e altre importanti molecole cellulari.

È stato scoperto diversi anni fa che una proteina chiamata complesso di raccolta della luce correlata allo stress 1 (LHCSR1) è il principale attore nella fotoprotezione che si verifica in tempi brevi (da secondi a minuti) nelle alghe verdi e nel muschio. Questa proteina è incorporata nelle membrane del cloroplasto e interagisce con la clorofilla e i carotenoidi, un altro tipo di pigmento che assorbe la luce. Però, il meccanismo di come funziona questa fotoprotezione non era noto.

In questo studio, Schlau-Cohen e i suoi colleghi hanno utilizzato un microscopio molto sensibile in grado di analizzare singole proteine ​​per determinare come reagisce la proteina LHCSR1 presente nel muschio a diverse condizioni di luce. Hanno scoperto che la proteina può assumere tre conformazioni distinte, che corrispondono a diverse funzioni.

In condizioni nuvolose o ombreggiate, LHCSR1 assorbe semplicemente i fotoni e trasmette l'energia al resto del macchinario fotosintetico. Quando esce il sole e aumenta l'apporto energetico, LHCSR1 passa a un'altra conformazione in pochi secondi. Questo interruttore è causato da una diminuzione del pH, che si verifica quando vengono generati troppi ioni idrogeno dalla scissione dell'acqua durante la fotosintesi.

Quando ciò si verifica, la proteina viene bloccata in una struttura rigida che le consente di convertire più energia luminosa assorbita in calore, attraverso un meccanismo non del tutto noto.

La fotoprotezione può anche essere attivata più gradualmente da un altro meccanismo di feedback che coinvolge il pH. Una diminuzione del pH attiva un enzima che modifica la composizione molecolare di un carotenoide che interagisce con LHCSR1. Questo porta la proteina a favorire e stabilizzare il suo stato fotoprotettivo.

"Entrambi questi stati sono controllati da un circuito di feedback all'interno dell'organismo. Il pH è una risposta su un breve lasso di tempo, e la composizione molecolare è una risposta su tempi più lunghi, " dice Schlau-Cohen.

Aumentare la fotosintesi

Le piante verdi tendono ad attivare la fotoprotezione molto rapidamente in risposta al sole, e sono lenti a spegnerlo, Schlau-Cohen dice. Che aiuta le piante a sopravvivere, ma significa che non producono quanta più biomassa potrebbero. Uno studio pubblicato su Science lo scorso novembre ha mostrato che accelerare la capacità delle piante di disattivare la fotoprotezione potrebbe aumentare la produzione di biomassa del 15% in condizioni naturali di campo.

I colleghi di Schlau-Cohen dell'Università di Verona stanno ora creando versioni mutate della proteina LHCSR1, che i ricercatori intendono testare per vedere se hanno la capacità di produrre più biomassa pur offrendo una certa fotoprotezione.

"La fotoprotezione è fondamentale per il fitness, quindi se elimini del tutto la fotoprotezione, non crescono molto bene, " dice Schlau-Cohen. "Possiamo vedere quali parti di questo processo sono responsabili di quali parti del ciclo fotoprotettivo, e poi possiamo essere un po' più intelligenti su ciò che sovraesprimiamo e su ciò che eliminiamo".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.