Pesquisadores estudaram como certas bactérias realizam a fotossíntese usando luz de baixa energia, que pode ser projetada em plantações para aumentar a produção.
Ao estudar a maneira como duas bactérias realizam a difícil química da fotossíntese, uma equipe liderada por pesquisadores do Imperial descobriu as trocas que fazem ao usar luz de baixa energia. Isso poderia informar a engenharia genética de plantas que visa tornar a produção de culturas e biomassa mais eficiente.

Plantas, algas e cianobactérias (algas verde-azuladas) realizam fotossíntese para converter luz e CO₂ em açúcares e oxigênio. Uma enzima chamada fotossistema II realiza a primeira etapa desse processo, usando a luz para extrair elétrons da água e alimentá-los na maquinaria fotossintética.

A maioria dos organismos realiza fotossíntese usando luz visível, que eles coletam graças a um pigmento chamado clorofila-a. A energia contida na luz visível foi considerada por muito tempo a energia mínima necessária para fazer a química difícil de extrair elétrons da água.

No entanto, existem algumas cianobactérias que realizam fotossíntese usando luz vermelha distante de baixa energia em vez de luz visível. Dar às plantas e algas a capacidade de usar luz vermelha distante pode tornar a produção de culturas e biomassa mais eficiente, uma vez que a luz vermelha distante consome menos energia e é abundante.

A capacidade de usar luz visível e vermelha em diferentes condições também seria uma propriedade desejável para plantas cultivadas e algas, mas os pesquisadores precisavam entender se havia compensações ou compromissos nos sistemas que podem fazer isso.

Fotossíntese do vermelho extremo

A equipe estudou cianobactérias que realizam fotossíntese usando luz vermelha distante em vez de luz visível. Acaryochloris marina vive sob uma ascídia verde, protegida da luz visível, mas exposta à luz vermelha distante estável, que coleta usando o pigmento clorofila-d em vez de clorofila-a.

Outras cianobactérias recentemente descobertas podem fazer fotossíntese usando clorofila-a quando a luz visível está presente e depois passar para o pigmento clorofila-f, que também absorve a luz vermelha distante, quando sombreada pela luz visível.

Em 2018, pesquisadores liderados por uma equipe do Imperial descobriram que em uma dessas cianobactérias, Chroococcidiopsis Thermalis, o fotossistema II pode fazer a química difícil usando apenas a energia mais baixa fornecida pela luz vermelha distante.

Agora, em um estudo publicado no eLife , pesquisadores liderados pela mesma equipe do Imperial mostraram que o fotossistema II de cianobactérias usando o pigmento clorofila-f é menos eficiente em coletar e usar luz vermelha distante do que o fotossistema II daqueles que usam clorofila-d, mas é mais protegido dos efeitos colaterais prejudiciais de muita luz.

O pesquisador-chefe, professor Bill Rutherford, do Departamento de Ciências da Vida da Imperial, disse:"A engenharia de plantas ou algas que podem usar a fotossíntese do vermelho distante pode ajudar a aumentar a produção de alimentos e biomassa.

"Nosso estudo é um primeiro passo importante na compreensão dos trade-offs entre eficiência e resiliência em sistemas que podem usar luz vermelha distante. Esses insights podem ajudar os pesquisadores a determinar quais recursos seriam benéficos e sob quais condições".

Comparando a fotossíntese

A equipe descobriu que o fotossistema II de Acaryochloris marina, que vive em condições de sombra constante e sempre usa clorofila-d, é eficiente na coleta e no uso de luz vermelha distante. No entanto, quando exposto ao excesso de luz, fica sobrecarregado e produz espécies reativas de oxigênio nocivas, que podem matar as células.

O fotossistema II de Chroococcidiopsis Thermalis, que usa clorofila-f apenas quando a luz visível está ausente ou escassa, é menos eficiente que o de Acaryochloris marina na coleta e uso de luz vermelha distante. No entanto, quando exposto ao excesso de luz, não produz espécies reativas de oxigênio nocivas.

O fotossistema clorofila-f II de Chroococcidiopsis Thermalis representa, portanto, um trade-off diferente em comparação com o fotossistema clorofila-d II de Acaryochloris marina:fotossíntese vermelha distante menos eficiente, mas melhor estabilidade e resiliência a danos em condições de luz forte.

A Dra. Stefania Viola, pesquisadora de pós-doutorado no Departamento de Ciências da Vida da Imperial e primeira autora do estudo, disse:"Nossa pesquisa sugere que os dois tipos de fotossistema vermelho distante II pagam um preço diferente por serem capazes de trabalhar com menos energia , e que isso deve ser considerado ao planejar a introdução da fotossíntese vermelha distante em plantas cultivadas ou algas.

"O próximo passo para nós é entender os mecanismos moleculares e químicos responsáveis ​​pelas diferenças funcionais entre os dois tipos de fotossistema vermelho distante II." + Explorar mais

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