Un hallazgo clave en la fotosíntesis abre nuevas posibilidades para el cultivo de plantas bajo luz artificial

*Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

La fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas, las algas y ciertos tipos de bacterias convierten la radiación solar en energía química, debe ajustarse a los cambios en la intensidad de la luz solar para garantizar su uso eficiente. Al igual que nuestras pupilas, que reaccionan a distintos grados de exposición a la luz con dilatación o constricción, los orgánulos de las células vegetales experimentan cambios en respuesta a la luz solar. Pero, a diferencia de nosotros, las plantas no pueden apartar la mirada ni descansar a la sombra para evitar una luz solar excesivamente intensa; deben ser capaces de hacer frente a diferentes niveles de radiación solar, así como a su ausencia durante la noche.

Sin la fotosíntesis, la vida tal como la conocemos en la Tierra sería imposible. Este proceso no solo es responsable de generar la mayor parte del oxígeno en la atmósfera de la Tierra, sino que también asegura la disponibilidad de alimentos, secuestra el carbono de la atmósfera y mitiga los efectos del cambio climático. Por lo tanto, comprender la fotosíntesis en todos sus aspectos es crucial para abordar los desafíos inminentes que enfrenta nuestro planeta.

La investigación realizada en el laboratorio del profesor Ziv Reich en el Departamento de Ciencias Biomoleculares del Instituto de Ciencias Weizmann tiene como objetivo descubrir los misterios de la fotosíntesis para que pueda usarse de manera más eficiente para satisfacer las necesidades de la humanidad o imitarse mediante métodos artificiales que imiten los procesos fotosintéticos naturales.

En la fotosíntesis, el aprovechamiento de la energía solar es posible gracias al flujo de electrones de una proteína a otra dentro de un orgánulo llamado cloroplasto. Este orgánulo contiene un sistema complejo de membranas, algunas de las cuales están densamente apiladas y otras están organizadas en conjuntos más expansivos. Hasta ahora, el consenso científico era que esta estructura espacial obliga a los electrones a cubrir grandes distancias entre las proteínas, lo que ralentiza el proceso de fotosíntesis.

Pero en un artículo publicado en febrero último en Nature Plants, un equipo de investigación dirigido por el científico del laboratorio de Reich, el Dr. Reinat Nevo, reveló que las membranas cambian su organización en el espacio durante la transición de la oscuridad a la luz, lo que permite que las proteínas se acerquen entre sí y, por lo tanto, acorten la distancia que deben cruzar los electrones.

Los investigadores descubrieron esto cuando examinaron las membranas de los cloroplastos con un microscopio electrónico de crioescaneo y compararon la alineación de las proteínas en las membranas tanto en condiciones de luz como de oscuridad. “Cuando observamos la densidad de las proteínas, nos dimos cuenta de que las proteínas en sí no cambiaban de posición, como se creía anteriormente, sino que el cambio se producía en la forma en que las membranas se organizaban en el espacio”, explica Nevo.

Pruebas posteriores, esta vez con un microscopio electrónico de transmisión, confirmaron la hipótesis de los investigadores y mostraron que las membranas efectivamente se reorganizan en el espacio, acercando las proteínas entre sí. Al parecer, una de las razones por las que las proteínas no están permanentemente próximas entre sí, y que las membranas se distancian entre sí en la oscuridad, es que el distanciamiento protege a las proteínas aislándolas cuando la luz es débil y hay poca actividad fotosintética.

Tras descubrir cómo las membranas se realinean según las condiciones de luz, el equipo de investigación realizó un experimento con dos grupos de plantas modificadas genéticamente: uno en el que la estructura espacial de las membranas de los cloroplastos está “bloqueada” en un modo activo de luz y fotosíntesis y otro en el que las membranas están organizadas en un modo de oscuridad perpetua, lo que impide que se acerquen entre sí. Las plantas del primer grupo crecieron más y realizaron más fotosíntesis en comparación con sus contrapartes en modo oscuro.

En el futuro, Nevo y sus colegas planean investigar si las plantas modificadas genéticamente, en las que se regula la estructura espacial de las membranas, pueden cultivarse con luz relativamente débil. Esto podría ayudar a conservar energía al cultivar plantas bajo luz artificial, una necesidad que podría imponerse debido al cambio climático.

Este estudio está dedicado a la memoria del Dr. Eyal Shimoni, científico del Departamento de Apoyo a la Investigación Química de Weizmann, quien aportó su experiencia esencial en microscopía a esta investigación antes de fallecer prematuramente en 2023.

Entre los demás participantes se encontraban el Dr. Yuval Garty y Yuval Bussi, del grupo de Reich; el Dr. Smadar Levin-Zaidman, del Departamento de Apoyo a la Investigación Química; el Prof. Helmut Kirchhoff, de la Universidad Estatal de Washington; y la Dra. Dana Charuvi, del Instituto Volcani, Rishon LeZion, Israel.

La investigación del profesor Ziv Reich cuenta con el apoyo del patrimonio de Olga Klein Astrachan. El profesor Reich es titular de la cátedra de bioquímica Hella y Derrick Kleeman.