Planten zijn afhankelijk van de energie in zonlicht om de voedingsstoffen te produceren die ze nodig hebben. Maar soms nemen ze meer energie op dan ze kunnen gebruiken, en die overmaat kan kritieke eiwitten beschadigen. Om zichzelf te beschermen, ze zetten de overtollige energie om in warmte en sturen het weer terug. Onder bepaalde voorwaarden, ze kunnen maar liefst 70 procent van alle zonne-energie die ze absorberen afwijzen.

"Als planten niet onnodig zoveel van de zonne-energie zouden verspillen, ze zouden meer biomassa kunnen produceren, " zegt Gabriela S. Schlau-Cohen, de Cabot Career Development Assistant Professor of Chemistry. Inderdaad, wetenschappers schatten dat algen tot 30 procent meer materiaal zouden kunnen kweken voor gebruik als biobrandstof. Belangrijker, de wereld zou de gewasopbrengsten kunnen verhogen - een verandering die nodig is om het aanzienlijke tekort tussen de landbouwproductie en de vraag naar voedsel tegen 2050 te voorkomen.

De uitdaging was om erachter te komen hoe het fotoprotectiesysteem in planten precies werkt op moleculair niveau, in de eerste 250 picoseconden van het fotosyntheseproces. (Een picoseconde is een biljoenste van een seconde.)

"Als we konden begrijpen hoe geabsorbeerde energie wordt omgezet in warmte, we kunnen dat proces misschien opnieuw bedraden om de totale productie van biomassa en gewassen te optimaliseren, ", zegt Schlau-Cohen. "We zouden die schakelaar kunnen bedienen om ervoor te zorgen dat planten minder aarzelen om de bescherming af te sluiten. Ze kunnen nog tot op zekere hoogte worden beschermd, en zelfs als er een paar mensen stierven, er zou een toename van de productiviteit van de resterende bevolking zijn."

Eerste stappen van fotosynthese

Cruciaal voor de eerste stappen van fotosynthese zijn eiwitten die lichtoogstcomplexen worden genoemd, of LHC's. Als zonlicht op een blad valt, elk foton (lichtdeeltje) levert energie die een LHC opwekt. Die excitatie gaat van de ene LHC naar de andere totdat het een zogenaamd reactiecentrum bereikt, waar het chemische reacties veroorzaakt die water splitsen in zuurstofgas, die vrijkomt, en positief geladen deeltjes die protonen worden genoemd, die overblijven. De protonen activeren de productie van een enzym dat de vorming van energierijke koolhydraten stimuleert die nodig zijn om het metabolisme van de plant van brandstof te voorzien.

Maar in fel zonlicht, protonen kunnen zich sneller vormen dan het enzym ze kan gebruiken, en de zich ophopende protonen signaleren dat overtollige energie wordt geabsorbeerd en kritieke componenten van de moleculaire machinerie van de plant kunnen beschadigen. Sommige planten hebben dus een speciaal type LHC - een lichtoogstcomplex genaamd, stressgerelateerd, of LHCSR - wiens taak het is om in te grijpen. Als protonopbouw aangeeft dat er te veel zonlicht wordt geoogst, de LHCSR zet de schakelaar om, en een deel van de energie wordt afgevoerd als warmte.

Het is een zeer effectieve vorm van zonnebrandcrème voor planten, maar de LHCSR is terughoudend om die uitdovingsinstelling uit te schakelen. Als de zon fel schijnt, de LHCSR heeft quenching ingeschakeld. Wanneer een passerende wolk of een zwerm vogels de zon blokkeert, het kan het uitschakelen en al het beschikbare zonlicht opnemen. Maar in plaats daarvan, de LHCSR laat het aan - voor het geval de zon plotseling terugkomt. Als resultaat, planten stoten veel energie af die ze zouden kunnen gebruiken om meer plantaardig materiaal op te bouwen.

Een evolutionair succes

Veel onderzoek heeft zich gericht op het afschrikmechanisme dat de energiestroom in een blad regelt om schade te voorkomen. Geoptimaliseerd door 3,5 miljard jaar evolutie, zijn mogelijkheden zijn indrukwekkend. Eerst, het kan omgaan met enorm variërende energie-inputs. Op een enkele dag, de intensiteit van de zon kan toenemen en afnemen met een factor 100 of zelfs 1, 000. En het kan reageren op veranderingen die zich in de loop van de tijd langzaam voordoen, bijvoorbeeld:bij zonsopgang - en die in slechts enkele seconden gebeuren, bijvoorbeeld, door een voorbijtrekkende wolk.

Onderzoekers zijn het erover eens dat een sleutel tot blussen een pigment in de LHCSR is - een carotenoïde genaamd - dat twee vormen kan aannemen:violaxanthine (Vio) en zeaxanthine (Zea). Ze hebben waargenomen dat LHCSR-monsters worden gedomineerd door Vio-moleculen onder omstandigheden met weinig licht en Zea-moleculen onder omstandigheden met veel licht. Conversie van Vio naar Zea zou verschillende elektronische eigenschappen van de carotenoïden veranderen, wat de activering van quenching zou kunnen verklaren. Echter, het gebeurt niet snel genoeg om te reageren op een passerende wolk. Dat soort snelle verandering kan een directe reactie zijn op de opbouw van protonen, wat een verschil in pH veroorzaakt van het ene gebied van de LHCSR naar het andere.

Het experimenteel verduidelijken van die fotoprotectiemechanismen is moeilijk gebleken. Onderzoek naar het gedrag van monsters die duizenden eiwitten bevatten, geeft geen inzicht in het gedrag op moleculair niveau, omdat verschillende uitdovingsmechanismen tegelijkertijd en op verschillende tijdschalen plaatsvinden - en in sommige gevallen, zo snel dat ze experimenteel moeilijk of onmogelijk te observeren zijn.

Het gedrag van eiwitten één voor één testen

Schlau-Cohen en haar MIT scheikunde-collega's, postdoc Toru Kondo en promovendus Wei Jia Chen, besloten om het over een andere boeg te gooien. Focussen op de LHCSR gevonden in groene algen en mos, ze onderzochten wat er anders was aan de manier waarop stressgerelateerde eiwitten die rijk zijn aan Vio en die rijk aan Zea reageren op licht - en ze deden het eiwit voor eiwit.

Volgens Schlau-Cohen, hun aanpak werd mogelijk gemaakt door het werk van haar medewerker Roberto Bassi en zijn collega's Alberta Pinnola en Luca Dall'Osto aan de Universiteit van Verona, in Italië. Bij eerder onderzoek is ze hadden ontdekt hoe ze de individuele eiwitten konden zuiveren waarvan bekend is dat ze een sleutelrol spelen bij het uitdoven. Zo konden ze monsters van individuele LHCSR's leveren, sommige verrijkt met Vio-carotenoïden en sommige met Zea-carotenoïden.

Om de reactie op blootstelling aan licht te testen, Het team van Schlau-Cohen gebruikt een laser om lichtpulsen van picoseconden op een enkele LHCSR te schijnen. Met behulp van een zeer gevoelige microscoop, ze kunnen dan de fluorescentie detecteren die als reactie wordt uitgezonden. Als de LHCSR in de quench-on-modus staat, het zal veel van de binnenkomende energie in warmte veranderen en het verdrijven. Er blijft weinig of geen energie over om als fluorescentie te worden uitgestraald. Maar als de LHCSR in de quench-off-modus staat, al het binnenkomende licht komt naar buiten als fluorescentie.

"Dus we meten de uitdoving niet rechtstreeks, ", zegt Schlau-Cohen. "We gebruiken een afname van de fluorescentie als een kenmerk van uitdoving. Als de fluorescentie afneemt, het blussen gaat omhoog."

Met behulp van die techniek, de MIT-onderzoekers onderzochten de twee voorgestelde uitdovingsmechanismen:de omzetting van Vio in Zea en een directe reactie op een hoge protonconcentratie.

Om het eerste mechanisme aan te pakken, ze karakteriseerden de respons van de Vio-rijke en Zea-rijke LHCSR's op het gepulseerde laserlicht met behulp van twee metingen:de intensiteit van de fluorescentie (gebaseerd op het aantal fotonen dat ze in één milliseconde detecteren) en de levensduur (gebaseerd op de aankomsttijd van de individuele fotonen).

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.