Quando le cellule fotosintetiche assorbono la luce dal sole, pacchetti di energia chiamati fotoni saltano tra una serie di proteine che raccolgono la luce fino a raggiungere il centro di reazione fotosintetica. Lì, le cellule convertono l’energia in elettroni, che alla fine alimentano la produzione di molecole di zucchero.
Questo trasferimento di energia attraverso il complesso di raccolta della luce avviene con un’efficienza estremamente elevata: quasi ogni fotone di luce assorbito genera un elettrone, un fenomeno noto come efficienza quantica quasi unitaria.
Un nuovo studio dei chimici del MIT offre una potenziale spiegazione di come le proteine del complesso di raccolta della luce, chiamato anche antenna, raggiungano quell’elevata efficienza. Per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di misurare il trasferimento di energia tra le proteine che raccolgono la luce, permettendo loro di scoprire che la disposizione disorganizzata di queste proteine aumenta l’efficienza della trasduzione dell’energia.
“Affinché quell’antenna funzioni, è necessaria la trasduzione di energia a lunga distanza. La nostra scoperta chiave è che l’organizzazione disordinata delle proteine che raccolgono la luce migliora l’efficienza di quella trasduzione di energia a lunga distanza”, afferma Gabriela Schlau-Cohen, un professore associato di chimica al MIT e autore senior del nuovo studio.
I postdoc del MIT Dihao Wang e Dvir Harris e l’ex studentessa laureata del MIT Olivia Fiebig PhD ’22 sono gli autori principali dell’articolo, che apparirà nel Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze. Jianshu Cao, un professore di chimica del MIT, è anche un autore dell’articolo.
Cattura di energia
Per questo studio, il team del MIT si è concentrato sui batteri viola, che si trovano spesso in ambienti acquatici poveri di ossigeno e sono comunemente usati come modello per gli studi sulla raccolta fotosintetica della luce.
All’interno di queste cellule, i fotoni catturati viaggiano attraverso complessi di raccolta della luce costituiti da proteine e pigmenti che assorbono la luce come la clorofilla. Utilizzando la spettroscopia ultraveloce, una tecnica che utilizza impulsi laser estremamente brevi per studiare eventi che si verificano su scale temporali da femtosecondi a nanosecondi, gli scienziati sono stati in grado di studiare come l’energia si muove all’interno di una singola di queste proteine. Tuttavia, studiare il modo in cui l’energia viaggia tra queste proteine si è rivelato molto più impegnativo perché richiede il posizionamento di più proteine in modo controllato.
Per creare una configurazione sperimentale in cui poter misurare il modo in cui l’energia viaggia tra due proteine, il team del MIT ha progettato membrane sintetiche su nanoscala con una composizione simile a quelle delle membrane cellulari presenti in natura. Controllando la dimensione di queste membrane, note come nanodischi, sono stati in grado di controllare la distanza tra due proteine incorporate nei dischi.
Per questo studio, i ricercatori hanno incorporato nei loro nanodischi due versioni della principale proteina che raccoglie la luce trovata nei batteri viola, nota come LH2 e LH3. LH2 è la proteina presente in condizioni di luce normale e LH3 è una variante che di solito viene espressa solo in condizioni di scarsa illuminazione.
Utilizzando il microscopio crioelettronico presso la struttura MIT.nano, i ricercatori hanno potuto visualizzare le loro proteine incorporate nella membrana e mostrare che erano posizionate a distanze simili a quelle osservate nella membrana nativa. Sono stati anche in grado di misurare le distanze tra le proteine che raccolgono la luce, che erano su una scala da 2,5 a 3 nanometri.
Disordinato è meglio
Poiché LH2 e LH3 assorbono lunghezze d’onda della luce leggermente diverse, è possibile utilizzare la spettroscopia ultraveloce per osservare il trasferimento di energia tra di loro. Per le proteine molto ravvicinate, i ricercatori hanno scoperto che occorrono circa 6 picosecondi affinché un fotone di energia viaggi tra di loro. Per le proteine più distanti, il trasferimento richiede fino a 15 picosecondi.
Un viaggio più veloce si traduce in un trasferimento di energia più efficiente, perché più lungo è il viaggio, più energia viene persa durante il trasferimento.
“Quando un fotone viene assorbito, hai solo così tanto tempo prima che l’energia venga persa attraverso processi indesiderati come il decadimento non radiativo, quindi più velocemente può essere convertito, più efficiente sarà”, dice Schlau-Cohen.
I ricercatori hanno anche scoperto che le proteine disposte in una struttura a reticolo mostravano un trasferimento di energia meno efficiente rispetto alle proteine che erano disposte in strutture organizzate in modo casuale, come avviene di solito nelle cellule viventi.
“L’organizzazione ordinata è in realtà meno efficiente dell’organizzazione disordinata della biologia, che riteniamo sia davvero interessante perché la biologia tende a essere disordinata. Questa scoperta ci dice che potrebbe non essere solo un inevitabile svantaggio della biologia, ma gli organismi potrebbero essersi evoluti per prendere approfittarne”, afferma Schlau-Cohen.
Ora che hanno stabilito la capacità di misurare il trasferimento di energia interproteica, i ricercatori hanno in programma di esplorare il trasferimento di energia tra altre proteine, come il trasferimento tra le proteine dell’antenna e le proteine del centro di reazione. Hanno anche in programma di studiare il trasferimento di energia tra le proteine dell’antenna che si trovano in organismi diversi dai batteri viola, come le piante verdi.
La ricerca è stata finanziata principalmente dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
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