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 CO 2 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 a 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 intensa 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.

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.

Coleções amareladas de bolhas em um fundo preto.  Algumas pequenas gotas são rosa fluorescente. 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 na 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 que 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 para entender os 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".

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

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 do vermelho 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.”