Pensa a un treno che scende dai binari fino a un punto di scambio in cui potrebbe andare a destra o a sinistra, e va sempre a destra.

Gli organismi fotosintetici hanno un punto di commutazione simile. Dopo che la luce solare è stata assorbita, l'energia si trasferisce rapidamente a una proteina chiamata centro di reazione. Da questo punto, gli elettroni potrebbero spostarsi verso un insieme di molecole di ramo A (o "right-track"), o ad un insieme di molecole identiche del ramo B ("traccia sinistra").

Una nuova ricerca della Washington University di St. Louis e dell'Argonne National Laboratory induce gli elettroni lungo il percorso che in genere non percorrono, facendo progredire la comprensione dei primi eventi della fotosintesi guidati dalla luce. I risultati sono stati pubblicati il ​​31 dicembre nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

"Nel centro di reazione batterica, un elettrone va al ramo A delle molecole il 100% delle volte. L'abbiamo fatto andare alle molecole del ramo B il 90% delle volte, "ha detto Christine Kirmaier, professore di chimica in Arts &Sciences.

"Dopotutto, se pensi di capire come funzionano il treno e i binari, perché non dovresti riuscire a far andare il treno a sinistra invece che a destra? Questo è essenzialmente quello che abbiamo fatto, " disse Kirmaier.

"Perché due tracce si sono evolute è ancora una domanda aperta, ma la capacità di controllare quale traccia viene utilizzata è entusiasmante, " ha detto Philip D. Laible, un biofisico nella divisione di bioscienze dell'Argonne National Laboratory e un altro autore principale dell'articolo.

"Vorremmo rendere il passaggio tra loro un fenomeno più ben compreso in modo da poter facilmente condurre gli elettroni (scusate il gioco di parole) verso qualsiasi destinazione in un processo biologico, " ha detto. "In questo momento, stiamo controllando le caratteristiche che consentono agli elettroni di attraversare una membrana biologica, il primo passo per produrre energia dalla luce solare in questo organismo".

Reingegnerizzare un percorso

Impianti, alghe e batteri fotosintetici convertono l'energia della luce solare in unità separate dalla carica che usano per alimentare i processi vitali sulla Terra. E lo fanno in un modo molto specifico:i centri di reazione in questi organismi presentano due disposizioni speculari di cofattori proteici e pigmentati, i lati A e B. Solo una di queste catene è attiva, il lato A, mentre il lato B è silenzioso.

Kirmaier, con il collaboratore Dewey Holten, professore di chimica alla Washington University, e il team dell'Argonne National Laboratory ha progettato molte iterazioni di mutanti fotosintetici con l'obiettivo di ottenere la separazione di carica utilizzando invece il ramo B. La nuova ricerca riprogetta un percorso in un batterio fotosintetico viola, una delle celle solari della natura.

"Utilizzando la biologia molecolare, abbiamo cambiato gli amminoacidi intorno ai pigmenti per cercare di trovare la combinazione magica per far funzionare il ramo B, " lei disse.

Il gioco consisteva nell'apportare cambiamenti strutturali che desintonizzassero, o rendere meno ottimale, trasferimenti di elettroni lungo il lato A o percorso normale e quindi, allo stesso tempo, accelerare le reazioni lungo il lato B.

I ricercatori sono stati in grado di intensificare questo processo per tentativi ed errori testando tutti i possibili amminoacidi in un sito bersaglio specifico sul lato A o B, trovandone uno o più che migliorano la resa del lato B. Hanno quindi portato quel "colpo" in avanti nello sfondo mutante per sondare il prossimo sito bersaglio, e così via.

"Era inaspettato, " ha detto Kirmaier. "Abbiamo scelto un sito, e in uno dei nostri migliori sfondi mutanti, messo lì tutti e 20 gli amminoacidi e uno di loro ci ha dato una resa del 90%."

"Questo è un risultato rivoluzionario e qualcosa che [tutti nel] campo hanno cercato attivamente di capire per decenni, sin da quando abbiamo visto per la prima volta le due tracce in uno studio strutturale di alto profilo in Nature quasi 35 anni fa, " ha detto Deborah K. Hanson della divisione di bioscienze, Laboratorio Nazionale Argonne, un altro autore principale del PNAS carta.

Ripensare la storia della fotosintesi

Il nuovo lavoro illumina i principi di base struttura-funzione che governano l'efficienza, trasferimento di elettroni indotto dalla luce.

Questa conoscenza può aiutare la progettazione di sistemi bioibridi e bioispirati per la conversione e lo stoccaggio dell'energia, hanno detto i ricercatori. I risultati provocheranno anche ulteriori esperimenti e analisi.

"I risultati sollevano molte domande su ciò che è necessario per ottenere la separazione di carica unidirezionale, " ha detto Holt.

In natura, i batteri viola effettuano la separazione della carica iniziale con un processo in due fasi che avviene in diversi trilionesimi di secondo. Ma la nuova soluzione del ramo B del team ottiene quasi lo stesso rendimento, anche se utilizza un processo in tandem a una fase che richiede 5-10 volte più a lungo.

"Nella storia originale della fotosintesi, forse una tale combinazione di processi veloci in due fasi e più lenti in una fase ha dato un rendimento dell'80 o 90% e poi, col tempo, è ottimizzato, " ha detto Holt.