Onderzoekers hebben onderzocht hoe bepaalde bacteriën fotosynthese uitvoeren met behulp van energiezuinig licht, dat in gewassen kan worden verwerkt om de productie te stimuleren.

Door de manier te bestuderen waarop twee bacteriën de moeilijke chemie van fotosynthese uitvoeren, heeft een team onder leiding van Imperial-onderzoekers de afwegingen ontdekt die ze maken bij het gebruik van licht met een lagere energie. Dit zou de genetische manipulatie van planten kunnen informeren die tot doel heeft de productie van gewassen en biomassa efficiënter te maken.

Planten, algen en cyanobacteriën (blauwgroene algen) voeren fotosynthese uit om licht en CO₂ om te zetten omgezet in suikers en zuurstof. Een enzym genaamd fotosysteem II voert de eerste stap van dit proces uit, waarbij licht wordt gebruikt om elektronen uit water te halen en deze in de fotosynthetische machine te brengen.

De meeste organismen voeren fotosynthese uit met zichtbaar licht, dat ze verzamelen dankzij een pigment dat chlorofyl-a wordt genoemd. De energie in zichtbaar licht is lange tijd beschouwd als de minimale energie die nodig is om de harde chemie uit te voeren om elektronen uit water te extraheren.

Er zijn echter enkele cyanobacteriën die fotosynthese uitvoeren met verrood licht met een lagere energie in plaats van zichtbaar licht. Door planten en algen de mogelijkheid te geven om verrood licht te gebruiken, zou de productie van gewassen en biomassa efficiënter kunnen worden, aangezien verrood licht minder energie-intensief is en overvloedig aanwezig is.

De mogelijkheid om zowel zichtbaar als verrood licht in verschillende omstandigheden te gebruiken zou ook een wenselijke eigenschap zijn voor gewassen en algen, maar de onderzoekers moesten begrijpen of er compromissen of compromissen waren in systemen die dit kunnen doen.

Verrode fotosynthese

Het team bestudeerde cyanobacteriën die fotosynthese uitvoeren met verrood licht in plaats van zichtbaar licht. Acaryochloris marina leeft onder een groene zeepijp, afgeschermd van zichtbaar licht maar blootgesteld aan stabiel verrood licht, dat het verzamelt met het pigment chlorofyl-d in plaats van chlorofyl-a.

Andere recent ontdekte cyanobacteriën kunnen fotosynthese uitvoeren met chlorofyl-a wanneer zichtbaar licht aanwezig is en vervolgens overschakelen naar het gebruik van het pigment chlorofyl-f, dat ook verrood licht absorbeert, wanneer het wordt afgeschermd van zichtbaar licht.

In 2018 ontdekten onderzoekers onder leiding van een team van Imperial dat in een van deze cyanobacteriën, Chroococcidiopsis thermalis, fotosysteem II de harde chemie kan uitvoeren door uitsluitend gebruik te maken van de lagere energie die wordt geleverd door verrood licht.

Nu, in een studie gepubliceerd in eLife , hebben onderzoekers onder leiding van hetzelfde team van Imperial aangetoond dat het fotosysteem II van cyanobacteriën die het pigment chlorofyl-f gebruiken, minder efficiënt is in het verzamelen en gebruiken van verrood licht dan het fotosysteem II van degenen die chlorofyl-d gebruiken, maar dat het meer beschermd tegen de schadelijke bijwerkingen van te veel licht.

Hoofdonderzoeker professor Bill Rutherford, van het Department of Life Sciences van Imperial, zei:"Het ontwikkelen van gewassen of algen die verrode fotosynthese zouden kunnen gebruiken, kan de productie van voedsel en biomassa helpen stimuleren.

"Onze studie is een belangrijke eerste stap in het begrijpen van de wisselwerking tussen efficiëntie en veerkracht in systemen die verrood licht kunnen gebruiken. Deze inzichten kunnen onderzoekers helpen bepalen welke functies gunstig zijn en onder welke voorwaarden."

Fotosynthese vergelijken

Het team ontdekte dat het fotosysteem II van de jachthaven van Acaryochloris, dat in constant schaduwrijke omstandigheden leeft en altijd chlorofyl-d gebruikt, efficiënt is in het verzamelen en gebruiken van verrood licht. Wanneer het echter wordt blootgesteld aan overmatig licht, wordt het overweldigd en produceert het schadelijke reactieve zuurstofsoorten, die de cellen kunnen doden.

Het fotosysteem II van Chroococcidiopsis thermalis, dat alleen chlorofyl-f gebruikt wanneer zichtbaar licht afwezig of schaars is, is minder efficiënt dan dat van Acaryochloris marina bij het verzamelen en gebruiken van verrood licht. Bij blootstelling aan overmatig licht produceert het echter geen overmatige productie van schadelijke reactieve zuurstofsoorten.

Het chlorofyl-f fotosysteem II van Chroococcidiopsis thermalis vertegenwoordigt daarom een ​​andere afweging in vergelijking met het chlorofyl-d fotosysteem II van Acaryochloris marina:minder efficiënte verrood fotosynthese maar betere stabiliteit en veerkracht tegen schade in sterke lichtomstandigheden.

Dr. Stefania Viola, postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Life Sciences van Imperial en eerste auteur van de studie, zei:"Ons onderzoek suggereert dat de twee soorten verrood fotosysteem II een verschillende prijs betalen om met minder energie te kunnen werken , en dat hiermee rekening moet worden gehouden bij het plannen van verrode fotosynthese in gewassen of algen.

"De volgende stap voor ons is om de moleculaire en chemische mechanismen te begrijpen die verantwoordelijk zijn voor de functionele verschillen tussen de twee soorten verrood fotosysteem II." + Verder verkennen

Unieke pigmenten in fotosynthetische mariene bacterie onthullen hoe het leeft bij weinig licht