När ingenjörer vill påskynda något, de letar efter "nyppunkterna, "de långsammaste stegen i ett system, och göra dem snabbare.

Säg att du vill att mer vatten ska rinna genom ditt VVS. Du skulle hitta det smalaste röret och ersätta det med ett större.

Många laboratorier försöker denna metod med fotosyntes, den process som växter och alger använder för att fånga upp solenergi.

All vår mat och de flesta av våra bränslen kommer från fotosyntes. När vår befolkning ökar, vi behöver mer mat och bränsle, kräver att vi förbättrar fotosyntesens effektivitet.

Men, Dr. Atsuko Kanazawa och Kramer Lab finner att för biologiska system, "pinch point"-metoden kan potentiellt göra mer skada än nytta, eftersom klämpunkterna finns där av en anledning. Så hur kan detta göras?

ATP-syntas:en fantastisk biologisk nanomaskin

Atsuko och hennes kollegor vid MSU-DOE Plant Research Laboratory (PRL) har arbetat med detta problem i över 15 år. De har fokuserat på en liten maskin i kloroplasten som kallas ATP-syntas, ett komplex av proteiner som är avgörande för att lagra solenergi i "högenergimolekyler" som driver livet på jorden.

Samma ATP-molekyl och ett mycket liknande ATP-syntas används båda av djur, inklusive människor, att växa, bibehålla hälsan, och flytta.

I växter, ATP-syntaset råkar vara en av de långsammaste processerna i fotosyntesen, begränsar ofta mängden energi som växter kan lagra.

Sätt igång växeln i växtproduktionen

Atsuko tänkte, om ATP-syntaset är en så viktig nyppunkt, vad händer om det var snabbare? Skulle det vara bättre på fotosyntes och ge oss snabbare växande växter?

För flera år sedan, hon fick tag på en mutant växt, kallas cfq, från en kollega. "Den hade en ATP-syntas som fungerade oavbrutet, utan att sakta ner, vilket var ett märkligt exempel att undersöka. Faktiskt, under kontrollerade laboratorieförhållanden – mycket milt och stadigt ljus, temperatur, och vattenförhållanden – denna mutantväxt blev större än sin vilda kusin."

Men när forskarna odlade växten under de mer varierande förhållanden den upplever i verkligheten, den led allvarlig skada, nästan döende.

"I naturen, ljus- och temperaturkvalitet förändras hela tiden, vare sig under de gångna timmarna, eller närvaron av molntäcke eller vindar som blåser genom löven, " hon säger.

Växter långsam fotosyntes av en anledning

Nya innovationer från Kramer-labbet gör det möjligt för Atusko och hennes kollegor att undersöka hur verkliga miljöförhållanden påverkar växternas tillväxt.

Atsukos forskning visar nu att ATP -syntasens långsamhet inte är en slump; det är en viktig bromsmekanism som förhindrar fotosyntesen från att producera skadliga kemikalier, kallas reaktiva syrearter, som kan skada eller döda växten.

"Det visar sig att solljus kan vara skadligt för växter, " säger Dave Kramer, Hannah Distinguished Professor och ledande utredare i Kramer -labbet.

"När växter inte kan använda ljusenergin de fångar, fotosyntes backar upp och giftiga kemikalier ackumuleras, kan förstöra delar av det fotosyntetiska systemet. Det är särskilt farligt när ljus och andra förhållanden, som temperatur, förändras snabbt."

ATP-syntaset känner av dessa förändringar och saktar ner ljusupptagningen för att förhindra skador. I det ljuset, cfq-mutantens snabba ATP är en dålig idé för växtens välbefinnande.

"Det är som om jag lovade att få din bil att köra snabbare genom att ta bort bromsarna. Faktum är att det skulle fungera, men bara för en kort stund. Sedan går det väldigt fel, säger Dave.

"För att förbättra fotosyntesen, vad vi behöver är att inte ta bort bromsarna helt, som i cfq, men för att kontrollera dem bättre, "Säger Dave." Specifikt, vi måste ta reda på hur anläggningen trycker på bromsarna och ställa in den så att den svarar snabbare och mer effektivt, " säger David.

Atsuko tillägger:"Forskare prövar olika metoder för att förbättra fotosyntesen. vi vill alla ta itu med några långsiktiga problem. Avgörande, vi måste fortsätta att mata jordens befolkning, som exploderar i storlek."

Studien publiceras i tidskriften Gränser inom växtvetenskap .