Investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis han trazado los caminos de tres canales de agua en un antiguo organismo fotosintético para proporcionar el primer estudio exhaustivo y experimental de cómo ese organismo usa y regula el agua para crear energía.
La fotosíntesis es la conversión química de la luz solar en energía química a través de una cadena de transporte de electrones esencial para casi toda la vida en nuestro planeta. Todas las plantas operan por fotosíntesis, al igual que las algas y ciertas variedades de bacterias.
Himadri B. Pakrasi, Myron y Sonya Glassberg / Profesor distinguido y director de la Universidad Albert y Blanche Greensfelder, Centro Internacional de Energía, Medio Ambiente y Sostenibilidad, investigador postdoctoral Daniel A. Weisz y Michael L. Gross, profesor de química,estudió al bisabuelo de todos los organismos fotosintéticos, una cepa de cianobacterias, para desarrollar el primer mapa experimental del mundo acuático de ese organismo.
El hallazgo avanza la investigación de la fotosíntesis pero también presenta un avance en la investigación de combustibles verdes :
Para convertir la luz solar en una forma utilizable de energía, los organismos fotosintéticos requieren agua en el "sitio activo" del complejo proteico Photosystem II. Pero los canales a través de los cuales el agua llega al sitio activo son difíciles de medir experimentalmente. Las especies reactivas de oxígeno sonproducido en el sitio activo y viajar lejos de él, en la dirección opuesta al agua, dejando un "rastro de daños" a su paso.
"Identificamos los sitios dañados en Photosystem II usando espectrometría de masas de alta resolución y descubrimos que revelan varias vías centradas en el sitio activo y que se alejan de él hasta la superficie del complejo", dijo Weisz, autor principaldel artículo que apareció en la edición del 17 de noviembre de Avances científicos . "Proponemos que estas vías representen canales dentro del complejo que podrían usarse para suministrar agua al sitio activo".
"Photosystem II tiene un mecanismo muy complejo, y es realmente importante entender sus procesos y evolución", dijo Pakrasi, quien ha investigado ampliamente las cianobacterias durante más de 25 años. "Existe un creciente interés en la energía verde y nuestro conocimientodel comportamiento de esta enzima algún día podría utilizarse para crear un sistema artificial que imite la enzima real para producir una cantidad abundante de energía sostenible ".
El sitio activo de Photosystem II es un grupo de iones de manganeso, calcio y oxígeno enterrados en las profundidades del complejo, lejos del medio acuoso de la célula. Los investigadores han especulado durante mucho tiempo que el sitio activo, o grupo de manganeso, debe tener unel sistema de canales y los modelos teóricos generados por supercomputadoras han predicho tenuemente su existencia, pero el movimiento del agua es difícil de caracterizar experimentalmente.
Los investigadores tomaron un camino indirecto para delinear los canales. El "rastro de daños" comprende 36 residuos de aminoácidos de esencialmente tres proteínas encontradas cerca del grupo de manganeso por el altamente sofisticado espectrómetro de masas del químico Gross, quien fue el asesor doctoral de Weisz.con Pakrasi y también es nombrado miembro de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington por su trabajo en espectrometría de masas. Estas dañinas especies reactivas de oxígeno, también conocidas como radicales, emanan y se dispersan desde el grupo hacia el medio acuoso de la célula. Los radicales pasan a través del Photosystem IIcomo un tornado, atacando y dañando los componentes de aminoácidos más cercanos del Photosystem II que encuentran en su camino.
Debido a que los radicales y el agua tienen propiedades similares, como el tamaño y la hidrofilia, los investigadores proponen que las rutas del rastro de daños que salen del grupo son muy similares a las rutas que el agua toma hacia el sitio activo.
"Estamos observando directamente los caminos que toman los radicales, no los del agua", dijo Weisz. "Pero dadas las propiedades similares de los radicales al agua, así como los resultados anteriores del modelado por computadora, creemos que esos caminos son los mismoslos que el agua lleva hacia adentro "
Tal enfoque para descubrir los canales de agua se considera un proxy porque se basa en el movimiento de los radicales altamente reactivos y no del agua en sí.
El proxy, dijo Weisz, "es como dejar un rastro de migajas de pan a lo largo de un sendero en el bosque. Si alguien puede encontrar las migajas de pan, puede volver sobre el camino sacado del bosque".
Los investigadores pudieron identificar los muchos residuos dañados debido a la increíble precisión, velocidad y sensibilidad del instrumento de espectrometría de masas de Gross. "Con instrumentos anteriores que eran más lentos y menos sensibles, era más difícil identificar con confianza grandes cantidades de sitios dañados,"Dijo Weisz." Las poderosas capacidades de este instrumento nos permitieron obtener estos resultados ".
"Las cianobacterias son los progenitores de los cloroplastos en las plantas", dijo Pakrasi. "El fotosistema II se conserva en todos los organismos fotosintéticos oxigenados. Sabemos con certeza que la naturaleza diseñó esta máquina solo una vez, luego la transfirió de las cianobacterias a las algas y a las plantas."
El estudio fue apoyado por: subvención DE-FG02-99ER20350 de la División de Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias, Oficina de Ciencias de la Energía Básica, Oficina de Ciencias, Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE; DE-SC 0001035 delCentro de Investigación de Antena Fotosintética, un Centro de Investigación de la Frontera Energética financiado por el DOE de los EE. UU., Oficina de Ciencias de la Energía Básica; y 2P41GM103422 de los Institutos Nacionales de Salud.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington en St. Louis . Original escrito por Tony Fitzpatrick. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :