Novas descobertas em micróbios chamados cianobactérias apresentam novas oportunidades para a ciência das plantas, bioengenharia e proteção ambiental
Pesquisadores da Michigan State University e colegas da University of California Berkeley, da University of South Bohemia e do Lawrence Berkeley National Laboratory ajudaram a revelar a imagem mais detalhada até hoje de importantes "antenas" biológicas.

A natureza desenvolveu essas estruturas para aproveitar a energia do sol através da fotossíntese, mas esses receptores de luz solar não pertencem às plantas. Eles são encontrados em micróbios conhecidos como cianobactérias, os descendentes evolutivos dos primeiros organismos da Terra capazes de pegar luz solar, água e dióxido de carbono e transformá-los em açúcares e oxigênio.

Publicado em 31 de agosto na revista Nature , as descobertas imediatamente lançam uma nova luz sobre a fotossíntese microbiana – especificamente, como a energia da luz é capturada e enviada para onde é necessária para alimentar a conversão de dióxido de carbono em açúcares. No futuro, os insights também podem ajudar os pesquisadores a remediar bactérias nocivas no meio ambiente, desenvolver sistemas fotossintéticos artificiais para energia renovável e recrutar micróbios na fabricação sustentável que começa com as matérias-primas de dióxido de carbono e luz solar.

“Há muito interesse em usar cianobactérias como fábricas movidas a energia solar que capturam a luz solar e a convertem em um tipo de energia que pode ser usada para fazer produtos importantes”, disse Cheryl Kerfeld, professora distinta de bioengenharia estrutural da Faculdade de Ciências Naturais da Hannah. Ciência. “Com um projeto como o que fornecemos neste estudo, você pode começar a pensar em ajustar e otimizar o componente de captação de luz da fotossíntese”.

"Uma vez que você vê como algo funciona, você tem uma ideia melhor de como pode modificá-lo e manipulá-lo. Essa é uma grande vantagem", disse Markus Sutter, pesquisador associado sênior do Kerfeld Lab, que opera na MSU e no Berkeley Lab em Califórnia.

As estruturas de antenas de cianobactérias, chamadas ficobilissomas, são coleções complexas de pigmentos e proteínas, que se agrupam em complexos relativamente maciços.

Durante décadas, os pesquisadores trabalharam para visualizar os diferentes blocos de construção dos ficobilissomas para tentar entender como eles são colocados juntos. Os ficobilissomas são frágeis, necessitando desta abordagem fragmentada. Historicamente, os pesquisadores não conseguiram obter as imagens de alta resolução de antenas intactas necessárias para entender como elas capturam e conduzem a energia da luz.

Agora, graças a uma equipe internacional de especialistas e avanços em uma técnica conhecida como microscopia crioeletrônica, a estrutura de uma antena de captação de luz cianobacteriana está disponível com resolução quase atômica. A equipe incluiu pesquisadores da MSU, Berkeley Lab, da Universidade da Califórnia, Berkeley e da Universidade da Boêmia do Sul, na República Tcheca.

"Tivemos a sorte de ser uma equipe composta por pessoas com conhecimentos complementares, pessoas que trabalharam bem juntas", disse Kerfeld, que também é membro do MSU-DOE Plant Research Laboratory, que é apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA. "O grupo tinha a química certa."

'Uma longa jornada cheia de boas surpresas'

"Este trabalho é um avanço no campo da fotossíntese", disse Paul Sauer, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de microscopia eletrônica criogênica da professora Eva Nogales no Berkeley Lab e na UC Berkeley.

"A estrutura completa de captação de luz da antena de uma cianobactéria está faltando até agora", disse Sauer. “Nossa descoberta nos ajuda a entender como a evolução surgiu com maneiras de transformar dióxido de carbono e luz em oxigênio e açúcar em bactérias, muito antes de qualquer planta existir em nosso planeta”.

Junto com Kerfeld, Sauer é autor correspondente do novo artigo. A equipe documentou vários resultados notáveis, incluindo encontrar uma nova proteína de ficobilissoma e observar duas novas maneiras pelas quais o ficobilissomo orienta seus bastonetes de captura de luz que não haviam sido resolvidos antes.

"São 12 páginas de descobertas", disse María Agustina Domínguez-Martín, da Natureza relatório. Como pesquisador de pós-doutorado no Kerfeld Lab, Domínguez-Martín iniciou o estudo na MSU e o concluiu no Berkeley Lab. Atualmente, ela está na Universidade de Córdoba, na Espanha, como parte da bolsa de pós-doutorado Marie Skłowdoska-Curie. "Tem sido uma longa jornada cheia de boas surpresas."

Uma surpresa, por exemplo, foi como uma proteína relativamente pequena pode atuar como um protetor contra surtos para a antena massiva. Antes deste trabalho, os pesquisadores sabiam que o ficobilissomo poderia encurralar moléculas chamadas proteínas carotenóides de laranja, ou OCPs, quando o ficobilissomo absorveu muita luz solar. Os OCPs liberam o excesso de energia como calor, protegendo o sistema fotossintético de uma cianobactéria da queima.

Até agora, havia um debate sobre quantos OCPs o ficobilissoma poderia se ligar e onde estavam esses locais de ligação. A nova pesquisa responde a essas perguntas fundamentais e oferece insights potencialmente práticos.

Esse tipo de sistema de proteção contra surtos – que é chamado de fotoproteção e tem análogos no mundo das plantas – naturalmente tende a ser um desperdício. As cianobactérias demoram a desligar sua fotoproteção depois de fazer seu trabalho. Agora, com a visão completa de como o protetor contra surtos funciona, os pesquisadores podem projetar maneiras de projetar uma fotoproteção "inteligente", com menos desperdício, disse Kerfeld.

E, apesar de ajudar a tornar o planeta habitável para humanos e inúmeros outros organismos que precisam de oxigênio para sobreviver, as cianobactérias têm um lado sombrio. As cianobactérias que florescem em lagos, lagoas e reservatórios podem produzir toxinas que são mortais para os ecossistemas nativos, bem como para os humanos e seus animais de estimação. Ter um plano de como as bactérias não apenas coletam a energia do sol, mas também se protegem em excesso pode inspirar novas ideias para atacar as florações nocivas.

Além das novas respostas e aplicações potenciais que este trabalho oferece, os pesquisadores também estão entusiasmados com as novas questões que ele levanta e as pesquisas que ele pode inspirar.

"Se você pensar nisso como Legos, você pode continuar construindo, certo? As proteínas e os pigmentos são como blocos que fazem o ficobilissoma, mas isso faz parte do fotossistema, que está na membrana celular, que faz parte de toda a célula ", disse Sutter. "De certa forma, estamos subindo a escada da escala. Encontramos algo novo em nosso degrau, mas não podemos dizer que temos o sistema estabelecido."

"Respondemos a algumas perguntas, mas abrimos as portas para outras e, para mim, é isso que faz com que seja um avanço", disse Domínguez-Martín. "Estou animado para ver como o campo se desenvolve a partir daqui." + Explorar mais

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