Biología

Identifican molecula clave en la foto-proteccion de las plantas

(NC&T) El hallazgo ha sido hecho por investigadores de la Universidad de California en Berkeley y del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), dependiente del Departamento de Energía estadounidense.

Los investigadores determinaron que cuando las moléculas de la clorofila en las plantas verdes alojan mayor cantidad de energía solar de la que son capaces de utilizar inmediatamente, las moléculas de zeaxantina, un miembro de los pigmentos carotenoides, trasladan lejos el exceso de energía.

Este estudio fue dirigido por Graham Fleming, director de la División de Biociencias Físicas del LBNL, y profesor de química de la Universidad de California en Berkeley, así como por Kris Niyogi, también del LBNL y la citada universidad. Sus resultados se han dado a conocer en la prestigiosa revista Science.

A través de la fotosíntesis, las plantas verdes pueden recoger energía de la luz solar y convertirla en energía química, con una eficacia aproximada del 97%. Si los científicos pudiesen crear versiones artificiales de fotosíntesis, el sueño de una fuente de energía destinada a la humanidad, limpia y sostenible, podría ser una realidad. Un problema potencial para cualquier sistema que recoja luz solar se presenta en el caso de que el sistema se cargue excesivamente con la energía absorbida, por lo cual sufrirá algún tipo de daño. Las plantas resuelven este problema a través de un sistema foto-protector. La energía excesiva, detectada a través de cambios en los niveles de pH, es probablemente disipada al ser enrutada de un sistema molecular a otro bajo senderos de reacciones químicas relativamente inofensivas.

Molécula foto-protección plantas
Las plantas verdes usan la fotosíntesis para convertir la luz solar en energía química (Foto: LBNL)
Fleming indica que el mecanismo de defensa es tan sensible a los cambios de luz, que incluso responde al paso de las nubes sobre la planta. Es uno de los supremos ejemplos de la ingeniería natural a escala nanométrica. El flexible sistema de cosecha energética de las plantas consiste en dos proteínas complejas, Fotosistema I y Fotosistema II. Cada complejo posee antenas compuestas por clorofila y moléculas carotenoides que ganan energía extra de la excitación producida al capturar fotones. Esta energía de excitación es encauzada a través de una serie de moléculas dentro de un centro de reacción donde se convierte en energía química. Los científicos han sospechado desde hace mucho tiempo que el mecanismo de foto-protección involucra el carotenoides en el Fotosistema II, pero, hasta ahora, los detalles eran desconocidos.

Los pasos individuales en el proceso de foto-protección se suceden en cuestión de picosegundos e incluso femtosegundos. Para identificar estos pasos, los científicos necesitaron un espectroscopio ultrarrápido, sólo disponible recientemente.

Los investigadores de Berkeley utilizaron las capacidades de este espectroscopio para seguir el movimiento de energía de excitación en hojas de espinaca, las cuales poseen una gran habilidad para inhibir el exceso de energía solar. Comprobaron que una exposición intensa a la luz solar activa la formación de moléculas de zeaxantina, las cuales pueden actuar recíprocamente con las moléculas de clorofila excitadas. Durante esta interacción, la energía es disipada a través de un mecanismo de intercambio de cargas vinculado a la zeaxantina.

Para confirmar que la zeaxantina era el elemento clave en la inhibición de absorción energética, y no algún otro intermediario, los investigadores de Berkeley realizaron pruebas similares en cepas mutantes especiales de Arabidopsis thaliana, una planta que sirve como organismo modelo para los estudios sobre plantas. Estas cepas mutantes fueron diseñadas genéticamente para sobreexpresar, o no expresar del todo, el gen psbS, que codifica una proteína esencial en el proceso de protección.

Los trabajos sobre estas cepas mutantes demostraron claramente que la formación de zeaxantina y su intercambio de cargas con la clorofila eran responsables de la protección energética. Niyogi comenta al respecto: "Nos sorprendimos al encontrar que el mecanismo de inhibición energética consistía en un intercambio de cargas, cuando los estudios anteriores habían indicado que el mecanismo consistía en una transferencia de energía". Fleming reconoce que los cálculos realizados en las supercomputadoras del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), fueron un factor importante para lograr determinar la naturaleza del mecanismo de protección energética.


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