Als ingenieurs iets willen versnellen, ze zoeken naar de "knelpunten, " de langzaamste stappen in een systeem, en maak ze sneller.

Stel dat u wilt dat er meer water door uw leidingen stroomt. Je zou de smalste pijp vinden en deze vervangen door een grotere.

Veel laboratoria proberen deze methode met fotosynthese, het proces dat planten en algen gebruiken om zonne-energie op te vangen.

Al ons voedsel en de meeste van onze brandstoffen zijn afkomstig van fotosynthese. Naarmate onze bevolking toeneemt, we hebben meer voedsel en brandstof nodig, vereisen dat we de efficiëntie van fotosynthese verbeteren.

Maar, Dr. Atsuko Kanazawa en het Kramer Lab vinden dat voor biologische systemen, de "knijppunt"-methode kan mogelijk meer kwaad dan goed doen, omdat de knelpunten er niet voor niets zijn. Dus hoe kan dit worden gedaan?

ATP-synthase:een verbazingwekkende biologische nanomachine

Atsuko en haar collega's van het MSU-DOE Plant Research Laboratory (PRL) werken al meer dan 15 jaar aan dit probleem. Ze hebben zich gericht op een kleine machine in de chloroplast, de ATP-synthase, een complex van eiwitten die essentieel zijn voor het opslaan van zonne-energie in "hoge-energiemoleculen" die het leven op aarde aandrijven.

Datzelfde ATP-molecuul en een zeer vergelijkbaar ATP-synthase worden beide door dieren gebruikt, inclusief mensen, groeien, gezondheid behouden, en bewegen.

bij planten, de ATP-synthase is toevallig een van de langzaamste processen in fotosynthese, vaak een beperking van de hoeveelheid energie die planten kunnen opslaan.

De versnelling van de plantaardige productie op gang brengen

Atsuko dacht, als de ATP-synthase zo'n belangrijk knelpunt is, wat gebeurt er als het sneller was? Zou het beter zijn in fotosynthese en ons sneller groeiende planten geven?

Jaren geleden, ze kreeg een gemuteerde plant in handen, genaamd cfq, van een collega. "Het had een ATP-synthase die non-stop werkte, zonder te vertragen, wat een merkwaardig voorbeeld was om te onderzoeken. In feite, onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden - zeer zacht en constant licht, temperatuur, en watercondities - deze mutante plant werd groter dan zijn wilde neef."

Maar toen de onderzoekers de plant groeiden onder de meer gevarieerde omstandigheden die ze in het echte leven ervaart, het heeft ernstige schade opgelopen, bijna dood.

"In de natuur, licht- en temperatuurkwaliteit veranderen voortdurend, hetzij door de voorbijgaande uren, of de aanwezigheid van bewolking of wind die door de bladeren waait, " ze zegt.

Planten vertragen fotosynthese met een reden

Recente innovaties van het Kramer-lab stellen Atusko en haar collega's in staat om te onderzoeken hoe reële omgevingsomstandigheden de plantengroei beïnvloeden.

Uit het onderzoek van Atsuko blijkt nu dat de traagheid van het ATP-synthase geen toeval is; het is een belangrijk remmechanisme dat voorkomt dat fotosynthese schadelijke chemicaliën produceert, reactieve zuurstofsoorten genoemd, die de plant kunnen beschadigen of doden.

"Het blijkt dat zonlicht schadelijk kan zijn voor planten, " zegt Dave Kramer, Hannah Distinguished Professor en hoofdonderzoeker in het Kramer-lab.

"Als planten de lichtenergie die ze opvangen niet kunnen gebruiken, fotosynthese komt terug en giftige chemicaliën hopen zich op, mogelijk delen van het fotosynthesesysteem vernietigen. Het is vooral gevaarlijk wanneer licht en andere omstandigheden, zoals temperatuur, snel veranderen."

De ATP-synthase detecteert deze veranderingen en vertraagt ​​de opname van licht om schade te voorkomen. In dat licht, De snelle ATP van de cfq-mutant is een slecht idee voor het welzijn van de plant.

"Het is alsof ik heb beloofd om je auto sneller te laten rijden door de remmen te verwijderen. het zou werken, maar slechts voor een korte tijd. Dan gaat het heel erg mis." zegt Dave.

"Om de fotosynthese te verbeteren, wat we nodig hebben is niet om de remmen volledig te verwijderen, zoals in cfq, maar om ze beter te beheersen, " zegt Dave. "Specifiek, we moeten uitzoeken hoe de plant op de rem drukt en deze afstemmen zodat hij sneller en efficiënter reageert, "zegt Davy.

Atsuko voegt toe:"Wetenschappers proberen verschillende methoden om de fotosynthese te verbeteren. we willen allemaal een aantal langetermijnproblemen aanpakken. Cruciaal, we moeten doorgaan met het voeden van de wereldbevolking, die explodeert in omvang."

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Grenzen in de plantenwetenschappen .