Le piante si affidano all'energia della luce solare per produrre i nutrienti di cui hanno bisogno. Ma a volte assorbono più energia di quanta ne possano usare, e quell'eccesso può danneggiare le proteine ​​critiche. Per proteggersi, convertono l'energia in eccesso in calore e la rimandano indietro. In alcune condizioni, possono rifiutare fino al 70 percento di tutta l'energia solare che assorbono.

"Se le piante non sprecassero inutilmente così tanta energia solare, potrebbero produrre più biomassa, " dice Gabriela S. Schlau-Cohen, il Cabot Career Development Assistant Professor di Chimica. Infatti, gli scienziati stimano che le alghe potrebbero crescere fino al 30% in più di materiale da utilizzare come biocarburante. Ma ancora più importante, il mondo potrebbe aumentare i raccolti, un cambiamento necessario per prevenire il significativo deficit tra produzione agricola e domanda di cibo previsto entro il 2050.

La sfida è stata capire esattamente come funziona il sistema di fotoprotezione nelle piante a livello molecolare, nei primi 250 picosecondi del processo di fotosintesi. (Un picosecondo è un trilionesimo di secondo.)

"Se potessimo capire come l'energia assorbita viene convertita in calore, potremmo essere in grado di ricablare quel processo per ottimizzare la produzione complessiva di biomassa e colture, " dice Schlau-Cohen. "Potremmo controllare quell'interruttore per rendere le piante meno riluttanti a disattivare la protezione. Potrebbero ancora essere protetti in una certa misura, e anche se morissero alcuni individui, ci sarebbe un aumento della produttività della restante popolazione".

Primi passi della fotosintesi

Fondamentali per i primi passi della fotosintesi sono le proteine ​​chiamate complessi che raccolgono la luce, o LHC. Quando la luce del sole colpisce una foglia, ogni fotone (particella di luce) fornisce energia che eccita un LHC. Tale eccitazione passa da un LHC all'altro fino a raggiungere un cosiddetto centro di reazione, dove guida le reazioni chimiche che scindono l'acqua in gas ossigeno, che viene rilasciato, e particelle cariche positivamente chiamate protoni, che rimangono. I protoni attivano la produzione di un enzima che guida la formazione dei carboidrati ricchi di energia necessari per alimentare il metabolismo della pianta.

Ma alla luce del sole, i protoni possono formarsi più rapidamente di quanto l'enzima possa utilizzarli, e l'accumulo di protoni segnala che l'energia in eccesso viene assorbita e può danneggiare componenti critici del macchinario molecolare della pianta. Quindi alcune piante hanno un tipo speciale di LHC, chiamato complesso di raccolta della luce correlato allo stress, o LHCSR, il cui compito è intervenire. Se l'accumulo di protoni indica che viene raccolta troppa luce solare, l'LHCSR gira l'interruttore, e parte dell'energia viene dissipata sotto forma di calore.

È una forma molto efficace di protezione solare per le piante, ma l'LHCSR è riluttante a disattivare questa impostazione di spegnimento. Quando il sole splende luminoso, l'LHCSR ha attivato l'estinzione. Quando una nuvola passeggera o uno stormo di uccelli blocca il sole, potrebbe spegnerlo e assorbire tutta la luce solare disponibile. Ma invece, l'LHCSR lo lascia acceso, nel caso in cui il sole ritorni improvvisamente. Di conseguenza, le piante rifiutano molta energia che potrebbero utilizzare per costruire più materiale vegetale.

Un successo evolutivo

Molte ricerche si sono concentrate sul meccanismo di spegnimento che regola il flusso di energia all'interno di una foglia per prevenire danni. Ottimizzato da 3,5 miliardi di anni di evoluzione, le sue capacità sono impressionanti. Primo, può gestire input energetici estremamente variabili. In un solo giorno, l'intensità del sole può aumentare e diminuire di un fattore 100 o addirittura 1, 000. E può reagire ai cambiamenti che si verificano lentamente nel tempo, ad esempio all'alba e quelli che accadono in pochi secondi, Per esempio, a causa di una nuvola passeggera.

I ricercatori concordano sul fatto che una chiave per l'estinzione è un pigmento all'interno dell'LHCSR, chiamato carotenoide, che può assumere due forme:violaxantina (Vio) e zeaxantina (Zea). Hanno osservato che i campioni di LHCSR sono dominati dalle molecole di Vio in condizioni di scarsa illuminazione e dalle molecole di Zea in condizioni di elevata luminosità. La conversione da Vio a Zea cambierebbe varie proprietà elettroniche dei carotenoidi, che potrebbe spiegare l'attivazione del quenching. Però, non accade abbastanza rapidamente per rispondere a una nuvola di passaggio. Quel tipo di cambiamento veloce potrebbe essere una risposta diretta all'accumulo di protoni, che provoca una differenza di pH da una regione dell'LHCSR all'altra.

Chiarire sperimentalmente quei meccanismi di fotoprotezione si è rivelato difficile. L'esame del comportamento di campioni contenenti migliaia di proteine ​​non fornisce informazioni sul comportamento a livello molecolare perché vari meccanismi di spegnimento si verificano simultaneamente e su scale temporali diverse e, in alcuni casi, così rapidamente che è difficile o impossibile osservarli sperimentalmente.

Testare il comportamento delle proteine ​​una alla volta

Schlau-Cohen e i suoi colleghi di chimica del MIT, postdoc Toru Kondo e studente laureato Wei Jia Chen, deciso di prendere un'altra strada. Concentrandosi sull'LHCSR trovato nelle alghe verdi e nel muschio, hanno esaminato cosa c'era di diverso nel modo in cui le proteine ​​legate allo stress ricche di Vio e quelle ricche di Zea rispondono alla luce, e lo hanno fatto una proteina alla volta.

Secondo Schlau-Cohen, il loro approccio è stato reso possibile dal lavoro del suo collaboratore Roberto Bassi e dei suoi colleghi Alberta Pinnola e Luca Dall'Osto dell'Università di Verona, in Italia. In ricerche precedenti, avevano scoperto come purificare le singole proteine ​​note per svolgere ruoli chiave nell'estinzione. Sono stati così in grado di fornire campioni di singoli LHCSR, alcuni arricchiti con carotenoidi Vio e alcuni con carotenoidi Zea.

Per testare la risposta all'esposizione alla luce, Il team di Schlau-Cohen utilizza un laser per irradiare impulsi di luce di picosecondi su un singolo LHCSR. Utilizzando un microscopio altamente sensibile, possono quindi rilevare la fluorescenza emessa in risposta. Se l'LHCSR è in modalità quench-on, trasformerà gran parte dell'energia in entrata in calore e la espellerà. Poca o nessuna energia sarà lasciata per essere riemessa come fluorescenza. Ma se l'LHCSR è in modalità quench-off, tutta la luce in entrata uscirà come fluorescenza.

"Quindi non misuriamo direttamente la tempra, " dice Schlau-Cohen. "Stiamo usando le diminuzioni della fluorescenza come segno di spegnimento. Quando la fluorescenza diminuisce, la tempra sale."

Usando quella tecnica, i ricercatori del MIT hanno esaminato i due meccanismi di spegnimento proposti:la conversione di Vio in Zea e una risposta diretta a un'elevata concentrazione di protoni.

Per affrontare il primo meccanismo, hanno caratterizzato la risposta degli LHCSR ricchi di Vio e Zea alla luce laser pulsata utilizzando due misure:l'intensità della fluorescenza (basata su quanti fotoni rilevano in un millisecondo) e la sua durata (basata sul tempo di arrivo di i singoli fotoni).

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.