Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab han utilizado uno de los microscopios más avanzados del mundo para revelar la estructura de un gran complejo proteico crucial para la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas convierten la luz solar en energía celular.
El hallazgo, publicado en la revista Naturaleza , permitirá a los científicos explorar por primera vez cómo funciona el complejo y podría tener implicaciones para la producción de una variedad de bioproductos, incluidas las alternativas plásticas y los biocombustibles.
"Este trabajo conducirá a una mejor comprensión de cómo se produce la fotosíntesis, lo que podría permitirnos mejorar la eficiencia de la fotosíntesis en plantas y otros organismos verdes, lo que podría aumentar la cantidad de alimentos y, por lo tanto, la biomasa que producen", dijoKaren Davies, investigadora principal y biofísica de Berkeley Lab. "Esto es particularmente importante si desea producir bioproductos renovables que sean alternativas rentables a los actuales productos a base de petróleo".
Descubierto hace décadas, se sabe que el complejo de proteínas dirigido por los investigadores, llamado complejo similar a la NADH deshidrogenasa NDH, ayuda a regular la fase de la fotosíntesis donde la energía de la luz solar es capturada y almacenada en dos tipos de moléculas de energía celular,que luego se utilizan para impulsar la conversión de dióxido de carbono en azúcar. Investigaciones anteriores revelaron que la NDH reorganiza los electrones energizados que se mueven entre otros complejos de proteínas en el cloroplasto de una manera que garantiza la proporción correcta de cada molécula de energía.las cianobacterias realizan varias funciones adicionales, incluido el aumento de la cantidad de dióxido de carbono CO 2 disponible para la producción de azúcar uniendo CO 2 captación con transferencia de electrones
Para que los científicos realmente comprendan cómo NDH ejecuta estas funciones importantes, necesitaban un modelo molecular que indicara la ubicación y la conectividad de todos los átomos en el complejo. Esto es algo que incluso la tecnología de microscopía electrónica de transmisión TEM altamente poderosa simplemente podríano proporcionar hasta muy recientemente.
"La investigación sobre esta enzima ha sido difícil y los resultados experimentales han sido confusos durante los últimos 20 años más o menos porque hemos carecido de información completa sobre la estructura de la enzima", dijo Davies. "Conocer la estructura es importante para generar y probar hipótesis de cómolas funciones enzimáticas. La resolución que obtuvimos para nuestra estructura de NDH solo se ha logrado desde la comercialización de la cámara de conteo directo de electrones, desarrollada en colaboración con Berkeley Lab ".
Antes de esta invención, explicó Davies, un científico del personal de la División de Bioimagen Molecular y Bioimagen Integrativa MBIB de Berkeley Lab, determinar la estructura de una sola molécula podría llevar varios años porque la imagen crio-TEM dependía de la película, lo que significa que cada exposicióntuvo que ser desarrollado y escaneado antes de poder analizarlo. Sin embargo, la principal limitación era que la mayoría de las imágenes se veían borrosas. Cuando dirigía un haz de electrones hacia una molécula, las partículas cargadas de alta energía excitaban los átomos en la molécula., a menudo haciéndolos mover en el momento de la exposición. Esto significaba que los investigadores necesitaban tomar y procesar cientos, si no miles, de imágenes de película para poder ver con precisión una molécula completa.
La nueva cámara de conteo de electrones resuelve este problema al tomar películas digitales con una velocidad de cuadro extremadamente alta, de modo que los cuadros individuales se pueden alinear para eliminar el desenfoque causado por el movimiento de partículas inducido por el haz.
En el estudio actual, el primer autor Thomas Laughlin, un estudiante graduado de UC Berkeley con una cita conjunta en MBIB, aisló complejos de NDH de las membranas de una cianobacteria fotosintética proporcionada por el Laboratorio Junko Yano y Vittal Yachandra en MBIB y los fotografió usando un estadoInstrumento cryo-TEM de última generación equipado con el último detector de electrones directo. Ubicado en el campus de UC Berkeley, las instalaciones de cryo-TEM son administradas por el consorcio CryoEM de Bay Area, que está parcialmente financiado por Berkeley Lab.
El mapa de densidad de átomos resultante se usó para construir un modelo de NDH que muestra la disposición de todas las subunidades de proteínas de NDH y la posición más probable de todos los átomos en el complejo. Al examinar este modelo, el equipo de Davies secapaz de formular y luego probar hipótesis de cómo la NDH facilita la producción de azúcar al equilibrar la relación de las dos moléculas de energía celular.
"Si bien la estructura de NDH sola ciertamente aborda muchas preguntas, creo que ha planteado varias más que ni siquiera habíamos pensado considerar antes", dijo Laughlin.
Entre los muchos científicos de Berkeley Lab centrados en el avance del conocimiento de los procesos bioquímicos y biofísicos fundamentales, Davies y su personal también usan cámaras electrónicas directas cryo-EM para investigar cómo las variaciones en la organización de los complejos fotosintéticos, causadas por cambios en el crecimiento y las condiciones de luz, afectan la eficiencia de la fotosíntesis. Su proyecto sobre el flujo de electrones en la fotosíntesis es apoyado por una subvención del Programa de Investigación de Carrera Temprana de la Oficina de Ciencia del DOE de cinco años que se otorgó en 2018.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Aliyah Kovner. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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