Usando técnicas de espalhamento de nêutrons não destrutivos, os cientistas estão examinando como organismos unicelulares chamados cianobactérias produzem oxigênio e obtêm energia por meio da fotossíntese.

Colaboradores da Washington University em St. Louis e do Oak Ridge National Laboratory (ORNL) do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) estão conduzindo uma série de experimentos para estudar o comportamento de ficobilissomos - grandes complexos de proteínas de antenas em células de cianobactérias - usando o Bio-SANS instrumento, linha de luz CG-3, no reator de isótopos de alto fluxo (HFIR) do laboratório. Ficobilissomos colhem luz para iniciar a fotossíntese, e uma melhor compreensão desse processo poderia ajudar os pesquisadores a projetar painéis solares mais eficientes e outras estruturas artificiais que imitam os sistemas naturais.

Os nêutrons podem analisar essas estruturas delicadas sem danificá-las ou matá-las e com mais precisão espacial do que outras técnicas, como microscopia.

"Com Bio-SANS, podemos realmente ver o que está acontecendo em nível de nanoescala em tempo real em uma célula viva, "disse o pesquisador do ORNL Hugh O'Neill.

Ficobilissomos se fixam às membranas celulares, onde ocorrem as reações da fotossíntese, dependentes de luz. Alterar os complexos de antenas dos ficobilissomos pode ter consequências dramáticas e de longo alcance nas cianobactérias.

"Estamos interessados ​​em modificar esses sistemas de antenas e observar as mudanças estruturais resultantes, "disse Michelle Liberton da Washington University.

Durante visitas anteriores ao ORNL, a equipe alterou artificialmente ficobilissomos, excluindo certos genes nas células. Essas modificações causaram defeitos estruturais nas membranas celulares e outras mudanças drásticas na fisiologia celular.

Agora eles estão modificando naturalmente os complexos de antenas, privando as cianobactérias de nitrogênio, um nutriente essencial para suas funções básicas. Este processo de esgotamento faz com que a antena diminua de tamanho, o que, por sua vez, leva a rearranjos celulares significativos e modificações nas camadas da membrana.

Essa cadeia de eventos ocorre porque as células quebram os ficobilissomos e os usam como uma fonte alternativa de nitrogênio para sobreviver.

"O complexo da antena ficobilissomo é um grande estoque de micronutrientes nas células, "Liberton explicou." Quando o complexo se degrada, as células têm acesso a materiais que não podem mais obter do meio ambiente. "

Ao determinar a extensão dessas mudanças, a equipe espera compreender melhor a relação estrutura-função entre a organização celular e a modificação natural. Esses processos podem ser revertidos imediatamente com a restauração do nitrogênio nas células.

Os pesquisadores planejam comparar esses resultados aos registrados em seus estudos genéticos para explorar as diferenças entre as modificações artificiais e naturais e seus efeitos na composição intracelular das cianobactérias.

Essas descobertas apóiam o Centro de Pesquisa de Antena Fotossintética (PARC), um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia financiado pelo DOE baseado na Universidade de Washington desde 2009. O centro reúne uma rede internacional de especialistas da academia e instalações de pesquisa, incluindo ORNL, estudar sistemas de antenas e seu papel na fotossíntese.

"No nível fundamental, esta pesquisa está relacionada a como os sistemas naturais eficientes usam a luz solar, "disse o cientista do instrumento Bio-SANS e colaborador do PARC Volker Urban.

Essas percepções são inestimáveis ​​para os contribuintes do PARC que desejam melhorar a tecnologia sustentável inspirada no mundo natural.