Fotosyntes, som gör att energi från solen kan omvandlas till livsuppehållande sockerarter, kan också vara farligt för gröna växter. Om de absorberar för mycket solljus, den extra energin förstör deras vävnad.

För att bekämpa detta, gröna växter har utvecklat en försvarsmekanism som kallas fotoskydd, vilket gör att de kan avleda den extra energin. Forskare från MIT och Veronas universitet har nu upptäckt hur nyckelproteinet i denna process gör att mossa och gröna alger kan skydda sig mot för mycket sol.

Forskarna fann att proteinet, inbäddade i membranen i kloroplasten, kan växla mellan olika tillstånd som svar på förändringar i solljus. När mossa och grönalger absorberar mer solljus än de behöver, detta protein frigör energin som värme, förhindrar att det byggs upp och skadar cellerna. Proteinet kan verka inom några sekunder efter en förändring i solexponering, som när solen visar sig bakom ett moln.

"Dessa fotoskyddsmekanismer har utvecklats från det faktum att solljuset inte är konstant. Det finns soliga dagar; det finns molniga dagar. Moln kan kort passera över, eller så kan växten vara övergående i skuggan, säger Gabriela Schlau-Cohen, en MIT biträdande professor i kemi och senior författare av studien.

Att lära sig mer om hur detta protein fungerar kan göra det möjligt för forskare att ändra det på ett sätt som skulle främja mer fotosyntes, potentiellt öka biomassaavkastningen av både grödor och alger som odlas för biobränslen, säger Schlau-Cohen.

MIT postdoc Toru Kondo är huvudförfattare till tidningen, som visas i numret av den 17 juli Naturkemi . Andra författare är MIT-studenten Wei Jia Chen och University of Veronas forskare Alberta Pinnola, Luca Dall'Osto, och Roberto Bassi.

För mycket av det goda

Under fotosyntesen, specialiserade proteiner som kallas ljusskördande komplex, med hjälp av pigment som klorofyll, absorbera ljusenergi i form av fotoner. Dessa fotoner driver en serie reaktioner som producerar sockermolekyler, låter växter lagra energi för senare användning.

De flesta växter absorberar mycket mer solljus än vad de faktiskt kan använda. Under mycket soliga förhållanden, de omvandlar bara cirka 30 procent av tillgängligt solljus till socker, medan resten frigörs som värme.

"Under soliga förhållanden, växterna har energi som sitter runt som är för mycket för kapaciteten hos resten av det molekylära maskineriet, " säger Schlau-Cohen

Om denna energi tillåts finnas kvar i växtcellerna, det skapar skadliga molekyler som kallas fria radikaler som kan skada proteiner och andra viktiga cellulära molekyler.

Det upptäcktes för flera år sedan att ett protein som kallas light-harvesting complex stress-related 1 (LHCSR1) är den största aktören inom fotoskydd som sker under korta tidsskalor (sekunder till minuter) i grönalger och mossa. Detta protein är inbäddat i membranen i kloroplasten och interagerar med klorofyll och karotenoider, en annan typ av ljusabsorberande pigment. Dock, mekanismen för hur detta fotoskydd fungerar var inte känd.

I den här studien, Schlau-Cohen och hennes kollegor använde ett mycket känsligt mikroskop som kan analysera enskilda proteiner för att avgöra hur LHCSR1-proteinet som finns i mossa reagerar på olika ljusförhållanden. De upptäckte att proteinet kan anta tre distinkta konformationer, som motsvarar olika funktioner.

Under molniga eller skuggiga förhållanden, LHCSR1 absorberar helt enkelt fotoner och skickar energin vidare till resten av fotosyntesmaskineriet. När solen kommer fram och energiintaget stiger, LHCSR1 växlar till en annan konformation inom några sekunder. Denna växling orsakas av en sänkning av pH, som uppstår när för många vätejoner genereras genom vattenspjälkning under fotosyntesen.

När detta inträffar, proteinet blir låst i en stel struktur som gör att det kan omvandla mer av den absorberade ljusenergin till värme, genom en mekanism som inte är helt känd.

Fotoskydd kan också aktiveras mer gradvis genom en annan återkopplingsmekanism som involverar pH. En sänkning av pH aktiverar ett enzym som förändrar den molekylära sammansättningen av en karotenoid som interagerar med LHCSR1. Detta leder till att proteinet gynnar och stabiliserar sitt fotoskyddande tillstånd.

"Båda dessa tillstånd kontrolleras av en återkopplingsslinga i organismen. pH är ett kort tidsskalasvar, och den molekylära sammansättningen är ett längre tidsskalasvar, " säger Schlau-Cohen.

Öka fotosyntesen

Gröna växter tenderar att aktivera fotoskydd mycket snabbt som svar på solen, och de är långsamma med att stänga av den, säger Schlau-Cohen. Det hjälper växter att överleva, men det betyder att de inte producerar så mycket biomassa som de skulle kunna. En studie som publicerades i Science i november förra året visade att en snabbare växts förmåga att stänga av fotoskydd kan öka produktionen av biomassa med 15 procent under naturliga fältförhållanden.

Schlau-Cohens kollegor vid University of Verona skapar nu muterade versioner av LHCSR1-proteinet, som forskarna planerar att testa för att se om de har förmågan att producera mer biomassa samtidigt som de erbjuder visst fotoskydd.

"Fotoskydd är avgörande för fitness, så om du slår ut fotoskydd helt och hållet växer de inte särskilt bra, " säger Schlau-Cohen. "Vi kan titta på vilka delar av denna process som är ansvariga för vilka delar av den fotoskyddande slingan, och då kan vi vara lite smartare om vad vi överuttrycker och vad vi slår ut."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.