El descubrimiento de la fotosíntesis podría ayudar a las biotecnologías de próxima generación


Investigadores de la Universidad de Queensland (UQ) y la Universidad de Münster (WWU) han purificado y visualizado el supercomplejo ‘Flujo de electrones cíclicos’ (CEF), una parte crítica de la maquinaria fotosintética en todas las plantas, en un descubrimiento que podría servir de guía. El desarrollo de las biotecnologías solares de próxima generación.


Universidad de Queensland

Los hallazgos, realizados en colaboración con un equipo internacional de científicos de las Universidades de Basilea, Okayama y Nueva Gales del Sur, se publicaron en las Actas de las Academias Nacionales de Ciencias y proporcionan nuevos conocimientos sobre el proceso de la fotosíntesis a nivel molecular.

«Para el año 2050, necesitaremos un 50% más de combustible, un 70% más de alimentos y un 50% más de agua limpia. Las tecnologías basadas en microalgas fotosintéticas tienen el potencial de desempeñar un papel importante para satisfacer estas necesidades», dice el profesor Ben Hankamer, quien tiene su sede en el Instituto de Biociencia Molecular de UQ y dirige el Centro de Biotecnología Solar. Las biotecnologías basadas en microalgas que funcionan con energía solar avanzarán a través de una mejor comprensión de cómo estos organismos capturan y almacenan la energía solar a nivel molecular.

Durante más de tres mil millones de años, las plantas, las algas y las bacterias azul-verdes han desarrollado una compleja nano-maquinaria que les permite realizar la fotosíntesis, en la que la energía solar se captura y almacena en forma de energía química.

Esta energía química toma la forma de las moléculas ATP y NADPH, que son esenciales para una gran cantidad de procesos celulares.

«El ATP y el NADPH permiten que los organismos fotosintéticos crezcan y, a medida que crecen, producen oxígeno atmosférico, así como alimentos y combustibles que sustentan la vida en la Tierra», dice el Profesor Hippler, con sede en el Instituto de Biología Vegetal y Biotecnología de WWU.

La fotosíntesis se realiza en dos modos: flujo de electrones lineales (LEF) y flujo de electrones cíclicos (CEF). Para trabajar de manera eficiente en condiciones de luz en constante cambio, un organismo fotosintético debe equilibrar la luz que absorbe con la energía, ATP y NADPH que necesita. Lo hace ajustando continuamente los niveles de estos dos modos entre sí.

«Se ha informado de pruebas bioquímicas de que un gran conjunto macromolecular llamado supercomplejo de flujo de electrones cíclicos (CEF) desempeña un papel fundamental en este proceso de ajuste fino. Sin embargo, debido a su naturaleza dinámica, fue difícil purificar este supercomplejo para determinar la estructura». dice el profesor Hankamer.

Para abordar esto, el equipo utilizó métodos sofisticados para purificar y caracterizar el supercomplejo CEF a partir de microalgas, y luego analizó su estructura mediante microscopía electrónica.

Los investigadores fotografiaron minuciosamente alrededor de medio millón de complejos de proteínas extraídos de microalgas en busca del supercomplejo. Solo unos mil de estos resultaron ser el supercomplejo CEF.

El análisis estructural reveló cómo los complejos de captación de luz, el fotosistema I y los componentes del citocromo b6f se ensamblan en el supercomplejo CEF y cómo su disposición les permite conectarse y desconectarse dinámicamente para realizar diferentes funciones que permiten que el organismo se adapte a diferentes condiciones de luz y requerimientos de energía.

Esta información, junto con evidencia experimental adicional, permitió a los investigadores proponer una nueva hipótesis sobre cómo funciona el supercomplejo CEF.

«El supercomplejo CEF es un excelente ejemplo de una estructura evolutivamente altamente conservada», dice el profesor Hippler, explicando que parece estar conservado en muchas plantas y algas y que probablemente no haya cambiado significativamente en millones de años.

«El trabajo es fundamental para los esfuerzos del Centro de Biotecnología Solar para desarrollar biotecnologías e industrias solares de próxima generación», explica el Prof. Hankamer.

El Centro se ha expandido para incluir 30 equipos internacionales en Europa, Asia, EE. UU., Australia y Nueva Zelanda, y está dedicado a desarrollar biotecnologías de energía solar de próxima generación basadas en algas verdes fotosintéticas.

El profesor Hankamer apunta a optimizar la maquinaria fotosintética del alga verde para producir tecnologías que ayuden a atender las crecientes necesidades de energía, alimentos y agua del mundo. Los resúmenes de los programas del Centro se pueden encontrar en https://imb.uq.edu.au/solar#qt-qt_centre_solar-foundation-tabs-1 .

«Para lograr estos objetivos, debemos comprender cómo funcionan los procesos fotosintéticos a nivel molecular «, dice.

Esta nueva información ayudará a guiar el diseño de tecnologías de captura solar de próxima generación basadas en microalgas y una amplia gama de biotecnologías e industrias basadas en energía solar para la producción de productos de alto valor, alimentos, combustible y agua limpia. La extracción de CO2 de la atmósfera y su utilización y almacenamiento también son áreas emocionantes a medida que la comunidad internacional desarrolla soluciones para combatir el cambio climático.

Más información: Janina Steinbeck el al., «Estructura de un supercomplejo PSI-LHCI-cyt b6f en Chlamydomonas reinhardtii que promueve el flujo de electrones cíclicos en condiciones anaeróbicas», PNAS (2018). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1809973115 

Referencia del diario: Actas de la Academia Nacional de Ciencias.  

Proporcionado por: Universidad de Queensland

Información de: phys.org





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