A professora Gabriela S. Schlau-Cohen (centro) e os alunos de graduação Raymundo Moya (à esquerda) e Wei Jia Chen trabalharam com colaboradores na Universidade de Verona, Itália, desenvolver uma nova compreensão dos mecanismos pelos quais as plantas rejeitam o excesso de energia que absorvem da luz solar para que não prejudique as proteínas-chave. As percepções obtidas podem um dia levar a aumentos extremamente necessários na produção de biomassa e safras. Crédito:Stuart Darsch
As plantas dependem da energia da luz solar para produzir os nutrientes de que precisam. Mas às vezes eles absorvem mais energia do que podem usar, e esse excesso pode danificar proteínas críticas. Para se proteger, eles convertem o excesso de energia em calor e o enviam de volta. Sob algumas condições, eles podem rejeitar até 70% de toda a energia solar que absorvem.
"Se as plantas não desperdiçassem tanta energia solar desnecessariamente, eles poderiam estar produzindo mais biomassa, "diz Gabriela S. Schlau-Cohen, o Professor Assistente de Química do Cabot Career Development. De fato, os cientistas estimam que as algas podem produzir até 30% mais material para uso como biocombustível. Mais importante, o mundo poderia aumentar o rendimento das safras - uma mudança necessária para evitar o déficit significativo entre a produção agrícola e a demanda por alimentos esperada para 2050.
O desafio tem sido descobrir exatamente como o sistema de fotoproteção nas plantas funciona a nível molecular, nos primeiros 250 picossegundos do processo de fotossíntese. (Um picossegundo é um trilionésimo de segundo.)
"Se pudéssemos entender como a energia absorvida é convertida em calor, podemos ser capazes de religar esse processo para otimizar a produção geral de biomassa e safras, "diz Schlau-Cohen." Poderíamos controlar essa chave para fazer as plantas menos hesitantes em desligar a proteção. Eles ainda podem ser protegidos até certo ponto, e mesmo se alguns indivíduos morressem, haveria um aumento na produtividade da população remanescente. "
Primeiros passos da fotossíntese
Críticas para as primeiras etapas da fotossíntese são as proteínas chamadas complexos de coleta de luz, ou LHCs. Quando a luz do sol atinge uma folha, cada fóton (partícula de luz) fornece energia que excita um LHC. Essa excitação passa de um LHC para outro até chegar a um chamado centro de reação, onde ele conduz reações químicas que dividem a água em gás oxigênio, que é lançado, e partículas carregadas positivamente chamadas prótons, que permanecem. Os prótons ativam a produção de uma enzima que impulsiona a formação de carboidratos ricos em energia necessários para alimentar o metabolismo da planta.
As figuras da esquerda e do meio ilustram o comportamento da fluorescência das proteínas LHCSR enriquecidas com Vio e Zea. Estas figuras mostram distribuições de probabilidade de intensidade de fluorescência e tempo de vida de experimentos com centenas de proteínas LHCSR individuais enriquecidas com carotenóides Vio (esquerda) ou carotenóides Zea (meio) . A figura à direita ilustra a resposta da fluorescência às mudanças de pH. Esta figura mostra a resposta de proteínas enriquecidas com Vio quando submetidas a um pH mais baixo do que na figura à esquerda, portanto, um aumento nas condições de replicação da concentração de prótons na luz solar intensa. Crédito:Massachusetts Institute of Technology
Mas sob a luz do sol forte, prótons podem se formar mais rapidamente do que a enzima pode usá-los, e o acúmulo de prótons sinaliza que o excesso de energia está sendo absorvido e pode danificar componentes críticos da maquinaria molecular da planta. Portanto, algumas plantas têm um tipo especial de LHC - chamado de complexo de coleta de luz relacionado ao estresse, ou LHCSR - cujo trabalho é intervir. Se o acúmulo de prótons indicar que muita luz solar está sendo coletada, o LHCSR vira o interruptor, e parte da energia é dissipada como calor.
É uma forma altamente eficaz de filtro solar para plantas - mas o LHCSR reluta em desligar essa configuração de têmpera. Quando o sol está brilhando intensamente, o LHCSR está com a têmpera ligada. Quando uma nuvem ou bando de pássaros que passa bloqueia o sol, poderia desligá-lo e absorver toda a luz solar disponível. Mas ao invés, o LHCSR o deixa ligado - apenas para o caso de o sol voltar de repente. Como resultado, as plantas rejeitam muita energia que poderiam estar usando para construir mais material vegetal.
Um sucesso evolutivo
Muitas pesquisas se concentraram no mecanismo de extinção que regula o fluxo de energia dentro de uma folha para evitar danos. Otimizado por 3,5 bilhões de anos de evolução, suas capacidades são impressionantes. Primeiro, pode lidar com entradas de energia extremamente variáveis. Em um único dia, a intensidade do sol pode aumentar e diminuir por um fator de 100 ou até 1, 000. E pode reagir a mudanças que ocorrem lentamente ao longo do tempo - digamos, ao nascer do sol - e aqueles que acontecem em apenas alguns segundos, por exemplo, devido a uma nuvem passageira.
Os pesquisadores concordam que uma das chaves para a extinção é um pigmento dentro do LHCSR - chamado de carotenóide - que pode assumir duas formas:violaxantina (Vio) e zeaxantina (Zea). Eles observaram que as amostras de LHCSR são dominadas por moléculas Vio em condições de baixa luminosidade e moléculas Zea em condições de alta luminosidade. A conversão de Vio em Zea mudaria várias propriedades eletrônicas dos carotenóides, o que poderia explicar a ativação da têmpera. Contudo, não acontece rápido o suficiente para responder a uma nuvem passageira. Esse tipo de mudança rápida pode ser uma resposta direta ao acúmulo de prótons, o que causa uma diferença no pH de uma região do LHCSR para outra.
Esclarecer esses mecanismos de fotoproteção experimentalmente tem se mostrado difícil. Examinar o comportamento de amostras contendo milhares de proteínas não fornece insights sobre o comportamento em nível molecular porque vários mecanismos de extinção ocorrem simultaneamente e em diferentes escalas de tempo - e, em alguns casos, tão rapidamente que são difíceis ou impossíveis de observar experimentalmente.
Este microscópio especialmente projetado é capaz de detectar fluorescência de proteínas LHCSR únicas anexadas a uma lamela de vidro. Crédito:Stuart Darsch
Testando o comportamento das proteínas uma de cada vez
Schlau-Cohen e seus colegas de química do MIT, pós-doutorado Toru Kondo e estudante de graduação Wei Jia Chen, decidiu seguir outra direção. Com foco no LHCSR encontrado em algas verdes e musgo, eles examinaram o que havia de diferente na maneira como as proteínas relacionadas ao estresse ricas em Vio e aquelas ricas em Zea respondem à luz - e fizeram isso uma proteína por vez.
De acordo com Schlau-Cohen, sua abordagem foi possibilitada pelo trabalho de seu colaborador Roberto Bassi e seus colegas Alberta Pinnola e Luca Dall'Osto da Universidade de Verona, Na Itália. Em pesquisas anteriores, eles descobriram como purificar as proteínas individuais conhecidas por desempenhar papéis importantes na extinção. Eles, portanto, foram capazes de fornecer amostras de LHCSRs individuais, alguns enriquecidos com carotenóides Vio e alguns com carotenóides Zea.
Para testar a resposta à exposição à luz, A equipe de Schlau-Cohen usa um laser para emitir pulsos de luz de picossegundos em um único LHCSR. Usando um microscópio altamente sensível, eles podem então detectar a fluorescência emitida em resposta. Se o LHCSR estiver no modo quench-on, ele transformará grande parte da energia que entra em calor e o expelirá. Pouca ou nenhuma energia será deixada para ser reemitida como fluorescência. Mas se o LHCSR estiver no modo de têmpera, toda a luz que entra sairá como fluorescência.
"Portanto, não estamos medindo a têmpera diretamente, "diz Schlau-Cohen." Estamos usando diminuições na fluorescência como uma assinatura de extinção. À medida que a fluorescência diminui, a têmpera sobe. "
Usando essa técnica, os pesquisadores do MIT examinaram os dois mecanismos de extinção propostos:a conversão de Vio em Zea e uma resposta direta a uma alta concentração de prótons.
Para abordar o primeiro mecanismo, eles caracterizaram a resposta dos LHCSRs ricos em Vio e ricos em Zea à luz de laser pulsada usando duas medidas:a intensidade da fluorescência (com base em quantos fótons eles detectam em um milissegundo) e seu tempo de vida (com base no tempo de chegada de os fótons individuais).
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.
