Un equipo de científicos de la Facultad de Ciencias Moleculares de ASU y la Universidad Estatal de Pensilvania nos ha llevado un paso más cerca de descubrir los secretos de la fotosíntesis y posiblemente de combustibles más limpios.
Su descubrimiento fue publicado recientemente en línea en ciencia y describe la estructura de un centro de reacción a partir de una heliobacteria que conserva las características del ancestral y, por lo tanto, proporciona una nueva visión de la evolución de la fotosíntesis.
La fotosíntesis es el proceso biológico más importante que impulsa la biosfera. Aprovecha la energía de la luz solar y nos proporciona nuestras principales fuentes de alimentos y combustible. El estudio de la fotosíntesis ha permitido a los científicos no solo comprender las complejidades de cómo los organismos usan la luzpara impulsar su metabolismo, pero también ha allanado el camino para los avances tecnológicos en fuentes de energía sostenibles.
"El proceso fotosintético surgió hace aproximadamente 3 mil millones de años, antes de que la atmósfera de la Tierra contuviera oxígeno", dijo Kevin Redding, profesor de la Facultad de Ciencias Moleculares de la Facultad de Artes y Ciencias Liberales, cuyo grupo lidera la investigaciónen ASU ". La fotosíntesis funciona mediante el uso de proteínas de membrana especializadas, llamadas centros de reacción fotosintética, que recolectan la energía de la luz y la utilizan para bombear electrones a través de una membrana biológica de un portador de electrones celular a otro, lo que resulta en la conversión de electromagnética es decir, luzenergía en energía química, que el organismo puede usar "
Una gran cantidad de investigación ha determinado que estos centros de reacción aparecieron solo una vez en el planeta, y desde entonces se han diversificado para realizar diferentes tipos de química.
A pesar de la diversificación, los centros de reacción conservan la misma arquitectura general, lo que refleja su origen común. Durante los últimos 3 mil millones de años, estas proteínas se han elaborado y cambiado y ha sido difícil reconstruir lo que sucedió durante este enorme período de tiempo. Sin embargo, sabemos que uno de ellos desarrolló la capacidad de oxidar el agua, liberando oxígeno. Esto cambió el mundo irrevocablemente y permitió la vida tal como la conocemos hoy.
El equipo cree que el primer centro de reacción RC fue mucho más simple que las versiones que existen hoy en día. En términos de la estructura de la proteína, era un homodímero, es decir, dos copias del mismo polipéptido se unieron para formar unestructura simétrica: los centros de reacción cuyas estructuras conocemos son todos heterodímeros en los que se ha roto esta simetría inherente, aunque en el fondo aún conservan los vestigios de la arquitectura simétrica original.
La heliobacteria del artículo en ciencia es un miembro de las bacterias fotosintéticas más primitivas, bacterias que no producen oxígeno; de hecho, son completamente intolerantes al oxígeno, como los primeros organismos. Tampoco pueden fijar el dióxido de carbono de la atmósfera y deben usar sustancias orgánicasfuentes de carbono. Importante para este estudio, su RC es un homodímero.
Por lo tanto, esta es la primera estructura homodimérica de RC y arroja luz de varias maneras sobre cómo podría haber sido la RC ancestral. En varias formas, la arquitectura general de la proteína es muy similar a los fotosistemas de plantas y cianobacterias y la RCde la bacteria púrpura de azufre. Sin embargo, sobre la base de esa arquitectura común, existen algunas diferencias químicas cruciales que dan como resultado una química diferente de la de los RC conocidos, incluida su capacidad de utilizar portadores solubles en agua y lípidos, una capacidad que anteriormente se pensabaestar restringido a uno u otro tipo de RC.
Este trabajo es el resultado de una colaboración entre Kevin Redding, Raimund Fromme, profesor asociado de investigación en la Facultad de Ciencias Moleculares e investigador en el Centro de Biología Estructural Aplicada del Biodesign Institute, y John Golbeck de la Universidad Estatal de Pensilvania.
Redding y Golbeck habían decidido hace 8 años unir fuerzas para combatir la RC heliobacteriana. Combinaron sus subvenciones individuales del Departamento de Energía en una subvención conjunta, que desde entonces se ha renovado dos veces: la tercera iteración comenzó hace un año. Fromme se unió oficialmenteel grupo hace aproximadamente 4 años, aunque anteriormente había estado trabajando en la cristalografía del RC con Iosifina Sarrou, un becario postdoctoral en el grupo Redding que había optimizado su purificación. El trabajo realmente despegó cuando Christopher Gisriel, un estudiante de doctorado en Reddinggrupo, comenzó a trabajar con Fromme para cristalizar el RC.
"Le doy crédito a Chris y Raimund por hacer lo necesario para obtener esta estructura", dijo Redding, quien también es el director del Centro de Bioenergía y Fotosíntesis de ASU.
"La experiencia de Raimund en la cristalización de las proteínas de membrana y la solución de su estructura fue crucial. Chris hizo el arduo trabajo de mejorar la purificación, optimizar las condiciones de cristalización y llevar sus cristales a las líneas de luz numerosas veces. Y porque la proteínaes inherentemente sensible al oxígeno, ¡tuvo que hacer toda la purificación y cristalización en una guantera! "
"Este es el momento que un cristalógrafo está esperando", dijo Fromme, explicando los años que puede tomar para cultivar el cristal de proteína perfecto adecuado para estudios de rayos X.
Redding continuó: "Pudieron obtener la calidad de difracción de una resolución de ~ 10 Å a 2-2.5 Å en unos años de trabajo muy duro ... y luego llegó la tarea hercúlea de resolver la estructura. Chris comenzócon un modelo muy reducido de cómo se vería el RC, basado en las similitudes esperadas con el fotosistema cianobacteriano I, y luego trabajó constantemente en él durante meses. Tuvo que aprender un nuevo software y trabajar largas noches para llegar allí.tenía algo que parecía real, Raimund pudo tomar eso y llevarlo al siguiente nivel. Y trabajando juntos han producido una estructura verdaderamente hermosa en una resolución muy alta ".
"Chris es un veterano del Ejército de EE. UU., Después de haber servido en Afganistán", dijo Redding. "Llegó a ASU como estudiante de bioquímica y comenzó a trabajar en mi laboratorio como investigador universitario. Nunca había considerado seriamente la posibilidad de una carreraen la investigación anterior, al principio no estaba seguro de hasta dónde quería llegar por este camino, sin embargo, pronto desarrolló un gusto por él y luego me presionó para que le permitiera asumir el proyecto de cristalografía RC como estudiante de maestría.contra él, sabiendo lo difícil que sería y las bajas posibilidades de éxito, pero persistió, y finalmente cedí. Más tarde decidió buscar un doctorado. Defenderá su disertación más adelante este semestre y no podría estar más orgulloso de él"
"Este centro de reacción solo se encuentra en organismos que pueden vivir en ambientes libres de oxígeno, como el de la Tierra primitiva", dijo Gisriel. "Este trabajo ha abierto la puerta a los científicos de todo el mundo para comparar las características del centro de reacción primitivocon los de centros de reacción más avanzados que residen en organismos tolerantes al oxígeno. Como resultado, estamos obteniendo una imagen más clara e informada de cómo la naturaleza optimizó la recolección de energía impulsada por la luz ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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