Controlar la luz: Nueva protección para los organismos fotosintéticos

Los espejos heliostáticos pueden concentrar tanta energía en una torre solar central que hacen arder a las aves. También en las bacterias verdes, los complejos de antenas de captación de luz pueden concentrar tanta luz que queman los centros de reacción. Científicos de la Universidad de Washington en San Luis acaban de descubrir cómo evitan la sobrecarga.

Científicos de la Universidad de Washington, en San Luis, han descubierto una estrategia desconocida hasta ahora que utilizan los organismos fotosintéticos para protegerse de los peligros del exceso de luz, lo que proporciona una mayor comprensión de la fotosíntesis y abre nuevas vías para la ingeniería de este proceso, en el que se basa la cadena alimentaria mundial.

La bacteria fotosintética Chlorobaculum tepidum prospera en las profundidades o sedimentos sin oxígeno de los lagos. De hecho, el oxígeno puede envenenarla al dañar su sensible centro de reacción, que convierte la energía de la luz en energía química. Para sobrevivir, la bacteria debe tener una respuesta finamente ajustada a la luz y al oxígeno que puede aumentar o disminuir según sea necesario.

Este «control del volumen fotosintético» permite a la bacteria sobrevivir a la exposición al oxígeno, cuando la luz podría perjudicarla de otro modo.

Robert Blankenship, catedrático distinguido de Biología y Química Lucille P. Markey, cuyo equipo de investigación descubrió este novedoso mecanismo, cree que este nuevo conocimiento podría ayudar a los científicos a diseñar otros organismos verdes para que también toleren el oxígeno o les proporcione otras formas de disipar la energía no deseada.

Un misterio de larga data

La Chlorobaculum está adaptada a la vida en el maloliente lodo sulfuroso del fondo de los lagos, donde hay poco o ningún oxígeno. Si se expone al oxígeno, la bacteria debe tener una forma de interrumpir la fotosíntesis desviando la energía de su centro de reacción, el corazón de la fotosíntesis, donde la energía luminosa se convierte en energía molecular que la célula puede utilizar.

La cantidad de energía que llega al centro de reacción está controlada por extensos «complejos de antenas». Estas enormes redes de proteínas y clorofila canalizan la energía hacia el centro de reacción, como los grandes conjuntos de espejos que concentran la luz solar en un único punto en las torres solares.

Las plantas y otros organismos fotosintéticos suelen recurrir a pigmentos adicionales, como los carotenoides anaranjados, para absorber y dispersar con seguridad el exceso de energía, actuando así como una especie de protector solar molecular. Este proceso se denomina «quenching» y, desde hace más de 20 años, los científicos sabían que la proteína FMO de la antena de la Chlorobaculum podía «quench», pero que lo hacía sin carotenoides ni otras protecciones conocidas. No tenían ni idea de cómo lo hacía.

Los investigadores propusieron que las raras modificaciones de los aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, podrían explicar la capacidad de extinción de FMO, pero no tenían forma de probar esta idea.

«Durante mucho tiempo fue un misterio», afirma Blankenship. «Sabíamos que era un efecto importante. Pero no había forma de averiguar cómo funcionaba realmente«.

Una solución inteligente

El misterio siguió sin resolverse hasta que los avances en la espectrometría de masas de proteínas permitieron a Gregory Orf, becario postdoctoral entonces en el laboratorio de Blankenship y ahora en la Universidad Estatal de Arizona, sondear con precisión los aminoácidos en las profundidades de la proteína FMO.

Allí, Orf no encontró los complejos aminoácidos modificados que los científicos sospechaban que explicarían el apagamiento, sino simplemente dos cisteínas normales, uno de los 20 aminoácidos estándar.

«Me di cuenta de que los únicos aminoácidos que presentaban una diferencia significativa en la reactividad con y sin oxígeno eran estas dos cisteínas, y son las únicas dos cisteínas de toda la proteína», dijo Orf.

Las cisteínas estaban junto a las dos clorofilas más cercanas al centro de reacción, una buena ubicación para un interruptor de encendido/apagado fotosintético.

Los investigadores descubrieron que si modificaban estas cisteínas para que no pudieran responder al oxígeno, o las sustituían por aminoácidos menos activos, el efecto de apagado desaparecía. Cada cisteína contribuía a su propio efecto, pero también actuaban de forma cooperativa, produciendo una respuesta de apagado mayor que la suma de sus partes.

«Creemos que cuando el oxígeno está cerca, la cisteína puede robar un electrón excitado de su clorofila cercana para liberar esa energía luminosa en forma de calor inofensivo», dijo Orf.

Este mecanismo de extinción basado en la cisteína, que es nuevo en este campo, puede ofrecer una forma de diseñar con elegancia la tolerancia al oxígeno en otros organismos fotosintéticos, como las algas productoras de biocombustible, o en sistemas fotosintéticos «artificiales».

«Esa es la importancia de este trabajo, creo, más allá de tratar de entender cómo funciona esta bacteria fotosintética», dijo Blankenship.

«Este mecanismo bastante simple para activar y desactivar la transferencia de energía podría ser diseñado en varios sistemas diferentes».