Los científicos han descubierto un ‘interruptor cuántico’ que regula la fotosíntesis

La fotosíntesis es un proceso vital que permite a las plantas convertir el dióxido de carbono en compuestos orgánicos utilizando la luz solar. El complejo captador de luz II (LHCII) está formado por moléculas de pigmento unidas a proteínas. Alterna entre dos funciones básicas: cuando está bajo luz intensa, disipa el exceso de energía en forma de calor mediante un enfriamiento no fotoquímico, y bajo luz baja, transmite luz de manera eficiente al centro de reacción.

Investigaciones recientes en bioingeniería han revelado que acelerar el cambio entre estas funciones puede mejorar la eficiencia de la fotosíntesis. Por ejemplo, los cultivos de soja han mostrado aumentos de rendimiento de hasta un 33%. Sin embargo, los cambios estructurales precisos a nivel atómico en LHCII que conducen a esta regulación no se conocían previamente.

El mecanismo molecular de NPQ y los cambios inducidos por la acidez en algunos factores estructurales clave impulsan al trímero LHCII a cambiar entre estados de recolección de luz y de extinción de energía. Crédito: Instituto de Física

Enfoque de investigación innovador

En un nuevo estudio, investigadores dirigidos por el profesor Weng Yuxiang del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China, en colaboración con el grupo del profesor Gao Jiali del Laboratorio de la Bahía de Shenzhen, estudiaron la microscopía electrónica criogénica de una sola partícula (crio-EM). ) estructuras dinámicas de LHCII a resolución atómica con cálculos teóricos Análisis funcional de densidad múltiple (MSDFT) de la transferencia de energía intermolecular del fotopigmento para determinar la clave cuántica del fotopigmento para la transferencia de energía intermolecular.

Como parte de su trabajo, informaron sobre una serie de seis estructuras EM criogénicas, incluido un estado de transferencia de energía con LHCII en solución y un estado de extinción de energía con LHCII confinado horizontalmente en nanodiscos de membrana en condiciones neutras y ácidas.

La comparación de estas diferentes estructuras demuestra que LHCII sufre un cambio conformacional tras la acidificación. Este cambio altera la distancia entre tintes en el locus de extinción de fluorescencia de Luteína1 (Lut1)-Clorofila612 (Chl612) solo cuando LHCII está confinado en los nanodiscos de membrana, lo que lleva a la extinción de Chl612 excitado por Lut1. Por lo tanto, el LHCII atrapado por presión lateral (por ejemplo, LHCII agregado) es un requisito previo para el enfriamiento no fotoquímico (NPQ), mientras que agrioEl cambio conformacional inducido mejora la extinción de la fluorescencia.

Estructuras crio-EM de LHCII en el nanodisco y en solución detergente a pH 7,8 y 5,4. Crédito: Instituto de Física

Mecanismo de conmutación cuántica en la fotosíntesis.

A través de cálculos MSDFT de estructuras crio-EM y estructuras cristalinas conocidas en estados apagados, combinados con experimentos de fluorescencia transitoria, se reveló un importante mecanismo de conmutación cuántica para LHCII con la distancia Lut1-Chl612 como factor clave.

Esta distancia regula el canal cuántico para la transferencia de energía en respuesta a la presión lateral sobre el LHCII y al cambio conformacional, es decir, un pequeño cambio en la distancia crítica de 5,6 Å permitiría un cambio reversible entre la captación de luz y la disipación del exceso de energía. Este mecanismo permite una respuesta rápida a los cambios de intensidad lumínica, asegurando una alta eficiencia lumínica. Fotosíntesis Y protección óptica equilibrada con LHCII como interruptor cuántico.

Relación entre la tasa de disminución de la fluorescencia y la fuerza de acoplamiento electrónico Lut1-Chl612 versus la distancia de separación Lut1-Chl612 y gráfico de la distancia Lut1-Chl612 versus el ángulo de intersección para las hélices A y B de TM en diferentes estructuras LHCII. Crédito: Instituto de Física

Anteriormente, estos dos grupos de investigación colaboraron en simulaciones de dinámica molecular y experimentos de espectroscopia infrarroja ultrarrápida y propusieron que el LHCII es una máquina molecular organizada alostéricamente. Sus estructuras experimentales crio-EM actuales confirman cambios estructurales previamente predichos teóricamente en LHCII.

Referencia: “Las estructuras crio-EM de LHCII en estados de imagen activa y fotoprotección revelan una débil regulación de la captación de luz y la disipación excesiva de energía” por Meixia Ruan, Hao Li, Ying Zhang, Ruoqi Zhao, Jun Zhang, Yingjie Wang, Jiali Gao, Quan Wang , Yumei Wang, Dapeng Sun, Wei Ding y Yuxiang Weng, 31 de agosto de 2023. plantas de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41477-023-01500-2

Esta investigación fue apoyada por proyectos de la Academia de Ciencias de China, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y la Comisión Municipal de Innovación en Ciencia y Tecnología de Shenzhen.