La biomasa es muy prometedora como reemplazo del petróleo, pero desbloquear su verdadero potencial sigue siendo un enigma. Un grupo de investigadores de la Universidad Estatal de Iowa y el Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Esperan desarrollar las piezas de ese enigma para crear una imagen más clara dequé ocurre dentro de una planta y cómo se aplica a sus usos aguas abajo como biomasa.
El proyecto de tres años y $ 1.8 millones, financiado por la Oficina de Ciencia del DOE, reúne a un equipo diverso de científicos de plantas y expertos en computación del estado de Iowa, así como a químicos analíticos del Laboratorio Ames. El grupo explorará las formas fundamentales en que las plantas produceny almacenar energía, cómo optimizar potencialmente esos procesos metabólicos, y luego recopilar la gran cantidad de información recopilada en un formato accesible.
"Es una ciencia muy fundamental", dijo Basil Nikolau, director del Centro de Biología Metabólica de ISU y uno de los principales investigadores del proyecto. "Todos pueden reconocer fácilmente una planta, pero a medida que utiliza microscopios cada vez más potentes para observarla".en detalles más minuciosos, hasta el nivel molecular dentro de las células individuales, se pierde el contexto de la misma como planta. Por lo tanto, estamos buscando una manera de representar estos detalles dentro del contexto general de la planta ".
Las plantas usan la fotosíntesis, un proceso fundamental para la mayoría de las formas de vida en la Tierra, para capturar la luz solar y convertirla en productos químicos. Pero, ¿cómo sucede eso? "Sabemos que la química inicial implica la separación de partículas cargadas a través de una membrana", dijo Nikolau ".En esencia, este proyecto desarrollará tecnologías de imágenes analíticas para visualizar la organización y la dinámica de la membrana que permite que este elocuente baile de moléculas dentro y a través de la membrana convierta la luz solar en química ".
Aunque no es útil como fuente de biomasa, el equipo está estudiando Arabidopsis como sistema modelo. El genoma de la planta ha sido mapeado y se presta fácilmente para estudiar. El grupo también está estudiando maíz, otra planta con una gran cantidad de antecedentes genéticosinformación y un cultivo que es importante para Iowa y como fuente potencial de biocombustibles ". Puedes cultivarlo en un espacio pequeño y crece rápidamente", explicó Nikolau sobre Arabidopsis, "para que puedas producir de seis a ocho generaciones en un año. Esuna planta ideal para estudiar, y lo que descubrimos es generalmente aplicable a otros cultivos también ".
Específicamente, el grupo está usando plantas de Arabidopsis que han sido genéticamente alteradas para aumentar la autofagia, un proceso que utilizan las plantas para sobrevivir a las limitaciones de los recursos carbono o nitrógeno. Analizarán cómo las plantas usan una vesícula llamada autofagosoma para conservar la biomasay energía para sobrevivir a las deficiencias de recursos.
El análisis del material vegetal se basa en la experiencia técnica de un grupo de investigadores del Laboratorio Ames. Utilizando técnicas como la espectroscopía Raman y las imágenes de vida útil de fluorescencia de depleción de emisión estimulada STED, así como métodos espectroscópicos de masas más tradicionales, pueden generarinformación detallada no solo de la composición química dentro de la planta, sino también de los procesos y cambios que tienen lugar dentro de la planta viva a lo largo de su ciclo de crecimiento.
"Idealmente, queremos poder medir la planta a medida que crece, sin interrumpirla ni extraer material", dijo Emily Smith, científica del Laboratorio Ames y profesora asociada de química de la ISU.
"El STED nos da una buena resolución espacial para que podamos ver las estructuras subcelulares", continuó Smith. "Las imágenes Raman nos dan el análisis químico para que sepamos, por ejemplo, qué ácidos grasos están presentes".
Además de estas técnicas por el grupo de Smith y el investigador de ISU Jacob Petrich, el equipo es ayudado por el profesor asociado de química de ISU, Art Winter, quien ha desarrollado sondas moleculares que selectivamente "iluminan" o "encienden" ciertos elementos dentro de la célula queluego puede ser capturado por las imágenes STED. Los científicos del Laboratorio Ames Sam Houk y Young-Jin Lee proporcionan análisis químicos adicionales a través de métodos avanzados de espectroscopía de masas y proporcionan un medio para validar las imágenes obtenidas por las otras tecnologías de imágenes.
"Una de las desventajas de usar las técnicas que hemos desarrollado es que puedes obtener tanta información que una persona no puede comenzar a resolver lo que es importante", dijo Smith. "Ahí es donde las técnicas computacionales desarrolladas por Eve SyrkinWurtele y Diane Bassham entran en juego para clasificar la aguja de información útil en el montón de datos para abordar la cuestión biológica particular que estamos planteando ".
Wurtele y Bassham, ambos profesores de Genética, Desarrollo y Biología Celular en ISU, utilizan un enfoque experimental / biocomputacional integrado para comprender los factores que regulan el desarrollo y la composición de las plantas. Eso incluye un galardonado programa de visualización por computadora llamado Meta! Blast.Los datos se pueden importar al programa y proporciona una representación visual de lo que está ocurriendo dentro de la planta a la escala celular o molecular adecuada.
"La idea es que tienes este entorno visual que es nuevo para la mayoría de las personas y puedes hacer cosas como escanear estructuras o moléculas si no las entiendes, obtener una explicación de las tecnologías analíticas y ver múltiples puntos de vista"Wurtele dijo: "Las diversas técnicas químicas y biológicas le permiten crear una imagen de la planta y sus componentes moleculares que está en una resolución desde un nivel multicelular, como la superficie de una hoja, a lo celular, a los orgánulos dentro de las células individuales,y finalmente las moléculas individuales "
Todos los involucrados dicen que el proyecto combina a la perfección las fortalezas de ISU y Ames Laboratory. "En nuestro grupo, todos somos expertos en nuestros propios dominios, pero no creo que haya una persona que comprenda completamente las tecnologías de otras personas".Wurtele dijo: "La idea detrás de esto es crear un sistema donde se integren los datos reales que se obtienen a diferentes resoluciones y compartimentos espaciales para que cualquiera pueda acceder a los datos de una forma comprensible".
"Es un proyecto altamente colaborativo", agregó Nikolau, "y un muy buen ajuste entre los lados biológico y analítico"
"Desarrollamos estas diversas técnicas analíticas para otros fines", concluyó Smith. "Con este proyecto, podemos aplicarlas a los materiales biológicos. ISU es extremadamente fuerte en ciencias de las plantas y Ames Lab tiene una amplia experiencia analítica, y esfue genial ver esta sinergia desarrollarse. Espero que podamos aprovechar eso en el futuro en proyectos futuros ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Ames . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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