Fotosynteza jest jednym z kluczowych procesów niezbędnych do życia na Ziemi, w którym rośliny przekształcają dwutlenek węgla w związki organiczne za pomocą światła słonecznego. Ostatnie badania bioinżynieryjne pokazują, że lepsze zrozumienie mechanizmów fotosyntezy i ich manipulowanie może prowadzić do znacznego wzrostu plonów.

Jednym z głównych elementów fotosyntezy jest kompleks zbierający światło II (LHCII), który składa się z cząsteczek pigmentu połączonych z białkami. LHCII jest kluczowy w wychwytywaniu i przekazywaniu energii świetlnej do centrum reakcji rośliny. Ciekawostką jest, że pod intensywnym światłem LHCII może również rozpraszać nadmiar energii jako ciepło, w procesie zwanym hartowaniem niefotochemicznym (NPQ).

Niedawne badania wykazały, że przyspieszenie przełączania między stanami zbierania światła a wygaszania energii w LHCII może znacząco poprawić efektywność fotosyntezy. Dzięki temu, na przykład, plon soi poddanej takiej manipulacji wzrósł o 33%. Problemem było jednak zrozumienie dokładnych zmian strukturalnych na poziomie atomowym, które odpowiadają za tę regulację.

Przełomowe badanie przeprowadzone przez zespół naukowców z Instytutu Fizyki Chińskiej Akademii Nauk i Laboratorium w Zatoce Shenzhen rzuciło światło na tę zagadkę. Profesorowie Wen Yuxiang i Gao Jiali wykorzystali kombinację obliczeń kriomikroskopii elektronowej pojedynczych cząstek (cryo-EM) i wielostopniowej teorii funkcjonału gęstości (MSDFT) do badania dynamicznych struktur LHCII z rozdzielczością atomową.

Analizując struktury krio-EM, w tym LHCII w roztworze i osadzone w nanodyskach membranowych, badacze zaobserwowali zmianę konformacyjną LHCII po zakwaszeniu. Zmiana ta wpływa na odległość między cząsteczkami pigmentu, prowadząc do wygaszenia wzbudzonego chlorofilu przez luteinę. Ta zmiana konformacyjna zwiększa wygaszanie fluorescencji, co przyczynia się do regulacji wydajności fotosyntezy.

Dodatkowo, badania wykazały, że do wygaszenia niefotochemicznego niezbędne jest wyhamowanie LHCII przez ciśnienie boczne, np. w postaci zagregowanej. To odkrycie dostarcza cennych informacji o warunkach wymaganych do manipulowania LHCII i optymalizacji fotosyntezy.

Profesor Wen Yuxiang podkreśla znaczenie tych odkryć: „Nasze badania nie tylko ujawniają molekularny mechanizm przełącznika kwantowego w LHCII, ale również tworzą podstawy teoretyczne do poprawy wydajności fotosyntezy w uprawach. To może mieć ogromne konsekwencje dla rozwiązywania problemów globalnego bezpieczeństwa żywnościowego i zrównoważonego rozwoju”.

To odkrycie otwiera nowe możliwości w dziedzinie bioinżynierii i ulepszania upraw. Zrozumienie skomplikowanych procesów zachodzących w roślinach i ich manipulowanie pozwala naukowcom opracowywać strategie zwiększania plonów i łagodzenia wpływu zmian klimatycznych na rolnictwo. Odkrycie to może zrewolucjonizować nasze podejście do rolnictwa, oferując nowe, ekscytujące możliwości poprawy wydajności upraw na całym świecie.