Fotossíntese, que permite que a energia do sol seja convertida em açúcares que sustentam a vida, também pode ser perigoso para as plantas verdes. Se eles absorvem muita luz solar, a energia extra destrói seu tecido.

Para combater isso, as plantas verdes desenvolveram um mecanismo de defesa conhecido como fotoproteção, o que lhes permite dissipar a energia extra. Pesquisadores do MIT e da Universidade de Verona descobriram agora como a proteína-chave neste processo permite que o musgo e as algas verdes se protejam do excesso de sol.

Os pesquisadores descobriram que a proteína, incorporado nas membranas do cloroplasto, pode alternar entre diferentes estados em resposta às mudanças na luz solar. Quando o musgo e as algas verdes absorvem mais luz do sol do que precisam, esta proteína libera energia na forma de calor, impedindo-o de se acumular e danificar as células. A proteína pode agir em segundos após uma mudança na exposição ao sol, como quando o sol aparece atrás de uma nuvem.

"Esses mecanismos fotoprotetores evoluíram do fato de que a luz do sol não é constante. Há dias ensolarados; há dias nublados. As nuvens podem passar brevemente, ou a planta pode estar temporariamente na sombra, "diz Gabriela Schlau-Cohen, professor assistente de química do MIT e autor sênior do estudo.

Aprender mais sobre como essa proteína funciona pode permitir que os cientistas a alterem de uma forma que promova mais fotossíntese, aumentando potencialmente a produção de biomassa de ambas as culturas e algas cultivadas para biocombustíveis, Schlau-Cohen diz.

O pós-doutorado do MIT Toru Kondo é o autor principal do artigo, que aparece na edição de 17 de julho da Química da Natureza . Outros autores são o estudante de graduação do MIT Wei Jia Chen e os pesquisadores da Universidade de Verona Alberta Pinnola, Luca Dall'Osto, e Roberto Bassi.

Muito de uma coisa boa

Durante a fotossíntese, proteínas especializadas conhecidas como complexos de coleta de luz, com a ajuda de pigmentos como a clorofila, absorver a energia da luz na forma de fótons. Esses fótons conduzem uma série de reações que produzem moléculas de açúcar, permitindo que as plantas armazenem energia para uso posterior.

A maioria das plantas absorve muito mais luz solar do que pode realmente usar. Em condições de muito sol, eles convertem apenas cerca de 30 por cento da luz solar disponível em açúcar, enquanto o resto é liberado como calor.

"Sob condições ensolaradas, as plantas têm energia estacionada demais para a capacidade do resto da maquinaria molecular, "Schlau-Cohen diz

Se esta energia permanecer nas células vegetais, ele cria moléculas nocivas chamadas radicais livres, que podem danificar proteínas e outras moléculas celulares importantes.

Foi descoberto há vários anos que uma proteína chamada complexo de coleta de luz relacionado ao estresse 1 (LHCSR1) é o principal jogador na fotoproteção que ocorre em escalas de tempo curtas (segundos a minutos) em algas verdes e musgo. Esta proteína está embutida nas membranas do cloroplasto e interage com a clorofila e os carotenóides, outro tipo de pigmento que absorve a luz. Contudo, o mecanismo de funcionamento dessa fotoproteção não era conhecido.

Neste estudo, Schlau-Cohen e seus colegas usaram um microscópio muito sensível que pode analisar proteínas individuais para determinar como a proteína LHCSR1 encontrada no musgo reage a diferentes condições de luz. Eles descobriram que a proteína pode assumir três conformações distintas, que correspondem a diferentes funções.

Sob condições nubladas ou sombreadas, O LHCSR1 simplesmente absorve fótons e passa a energia para o resto do maquinário fotossintético. Quando o sol sai e a ingestão de energia aumenta, LHCSR1 muda para outra conformação em segundos. Esta mudança é causada por uma diminuição no pH, que ocorre quando muitos íons de hidrogênio são gerados pela divisão da água durante a fotossíntese.

Quando isso ocorrer, a proteína fica presa em uma estrutura rígida que permite que ela converta mais da energia da luz absorvida em calor, através de um mecanismo que não é totalmente conhecido.

A fotoproteção também pode ser ativada mais gradualmente por outro mecanismo de feedback envolvendo o pH. Uma diminuição no pH ativa uma enzima que altera a composição molecular de um carotenóide que interage com o LHCSR1. Isso leva a proteína a favorecer e estabilizar seu estado fotoprotetor.

"Ambos os estados são controlados por um ciclo de feedback dentro do organismo. O pH é uma resposta em escala de tempo curta, e a composição molecular é uma resposta em escala de tempo mais longa, "Schlau-Cohen diz.

Aumentando a fotossíntese

As plantas verdes tendem a ativar a fotoproteção muito rapidamente em resposta ao sol, e demoram a desligá-lo, Schlau-Cohen diz. Isso ajuda as plantas a sobreviver, mas significa que eles não estão produzindo tanta biomassa quanto poderiam. Um estudo publicado na Science em novembro passado mostrou que acelerar a capacidade das plantas de desligar a fotoproteção pode aumentar a produção de biomassa em 15 por cento em condições naturais de campo.

Os colegas de Schlau-Cohen da Universidade de Verona agora estão criando versões mutadas da proteína LHCSR1, que os pesquisadores planejam testar para ver se eles têm a capacidade de produzir mais biomassa e ainda oferecer alguma fotoproteção.

"A fotoproteção é fundamental para o condicionamento físico, então, se você eliminar totalmente a fotoproteção, eles não crescem muito bem, "Schlau-Cohen diz." Podemos ver quais peças desse processo são responsáveis ​​por quais partes do ciclo fotoprotetor, e então podemos ser um pouco mais espertos sobre o que superexpressamos e o que eliminamos. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.