La sifoneína permite a las algas utilizar la luz verde para la fotosíntesis
Demasiado sol puede arruinar la fotosíntesis, quemando plantas y otros organismos que dependen de la luz solar para obtener energía. Sin embargo, bajo las olas, las algas han encontrado un ingenioso escudo.
Investigadores de la Universidad Metropolitana de Osaka y sus colegas descubrieron que un pigmento llamado sifoneína ayuda a las algas verdes marinas a mantener la fotosíntesis activa, sin quemaduras.
Los organismos fotosintéticos dependen de complejos de captación de luz (LHC) para captar la luz solar y obtener energía. Durante la fotosíntesis, la clorofila absorbe la luz y entra en un estado singlete excitado.
En condiciones normales de luz, esta energía se transfiere eficientemente al centro de reacción fotosintético para impulsar las reacciones químicas. Sin embargo, el exceso de luz puede llevar a las moléculas de clorofila a un peligroso estado de "triplete", que constituye una fuente de especies reactivas de oxígeno capaces de causar daño oxidativo.
"Los organismos utilizan carotenoides para disipar rápidamente el exceso de energía, o apagar estos estados triplete, a través de un proceso llamado transferencia de energía triplete-triplete (TTET)", dijo Ritsuko Fujii, autora principal y profesora asociada de la Escuela de Posgrado de Ciencias y del Centro de Investigación para la Fotosíntesis Artificial de la Universidad Metropolitana de Osaka.
Sin embargo, hasta ahora las normas que regulan esta fotoprotección siguen siendo en gran medida desconocidas.
El equipo de investigación buscó una respuesta en Codium fragile, un alga verde marina. Similar a las plantas terrestres, posee una antena captadora de luz llamada LHCII, pero con una peculiaridad: contiene inusuales carotenoides como la sifoneína y la sifonaxantina, que le permiten utilizar la luz verde para la fotosíntesis.
Imagen: En el sitio L1, el pigmento sifoneína (naranja) se une cerca de un grupo de moléculas de clorofila (Chl a610–a612, verde), lo que permite una eficiente absorción de energía. Crédito: Universidad Metropolitana de Osaka
"La clave del mecanismo de temple reside en la rapidez y eficiencia con la que se pueden desactivar los estados tripletes", afirmó Alessandro Agostini, investigador de la Universidad de Padua (Italia) y coautor principal del estudio.
Utilizando espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR) avanzada, que detecta directamente los estados excitados de triplete, el equipo comparó plantas de espinaca con Codium fragile.
En la espinaca, se mantuvieron detectables señales débiles de estados tripletes de clorofila. En cambio, en Codium fragile, estos estados nocivos desaparecieron por completo, lo que demuestra claramente que los carotenoides del sistema algal los neutralizan por completo.
"Nuestra investigación ha revelado que la estructura de antena de las algas verdes fotosintéticas tiene una excelente función fotoprotectora", afirmó Agostini.
Al combinar EPR con simulaciones químicas cuánticas, el equipo identificó a la sifoneína, ubicada en un sitio de unión clave en LHCII, como el impulsor principal de este notable efecto protector.
Su trabajo también aclaró los principios electrónicos y estructurales que subyacen a la TTET eficiente, mostrando cómo la peculiar estructura electrónica de la sifoneína y su posición en el complejo LHCII fortalecen su capacidad para disipar el exceso de energía.
Los hallazgos demuestran que las algas marinas han desarrollado pigmentos únicos no sólo para capturar la luz verde-azul disponible bajo el agua, sino también para mejorar su resistencia al exceso de luz solar.
Además de mejorar nuestra comprensión de la fotosíntesis, los resultados del estudio abren la puerta al desarrollo de tecnologías solares de inspiración biológica con mecanismos de protección incorporados y sistemas de energía renovable más duraderos y eficientes.
"Esperamos aclarar aún más las características estructurales de los carotenoides que aumentan la eficiencia de extinción, lo que en última instancia permitirá el diseño molecular de pigmentos que optimicen las antenas fotosintéticas", dijo Fujii.
Los hallazgos se publican en Cell Reports Physical Science: Siphonein enables an effective photoprotective triplet-quenching mechanism in green algal light-harvesting complexes
