Redistribution of electron flow between redox cofactors branches in photosystem I from the menB variants of cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803

Immaginate l'interno di una foglia come una centrale elettrica tecnologica e frenetica. Il suo compito è catturare la luce solare e trasformarla in elettricità che la pianta può usare per crescere. Questo processo avviene in minuscole fabbriche chiamate Fotosistema I. Pensate a queste fabbriche come a due linee di montaggio identiche, o "rami", che corrono fianco a fianco. Su queste linee, gli elettroni (minuscole particelle cariche) corrono da un punto di partenza a un traguardo, proprio come corridori in una staffetta. Di solito, questi elettroni saltano tra speciali pietre di passaggio chiamate "cofattori". In una pianta sana, le pietre di passaggio più importanti sono fatte di una specifica molecola chiamata fillochinone. Gli scienziati discutono da tempo su quale dei due linee di montaggio sia quella "principale" e quale quella di "riserva", ma è stato difficile vedere esattamente cosa stia accadendo perché gli elettroni si muovono così velocemente — più velocemente di quanto una fotocamera possa scattare una foto.

Questo studio si concentra su un gruppo specifico di cianobatteri (organismi microscopici, simili alle piante) che hanno un manuale di istruzioni rotto. A causa di un gene mancante, non possono produrre le loro normali pietre di passaggio di fillochinone. Invece, sono costretti a usare una molecola diversa, leggermente più goffa, chiamata plastochinone. Questo cambiamento rallenta drammaticamente gli elettroni, trasformando uno sprint fulmineo in una corsa lenta. Rallentando la corsa, gli scienziati sono riusciti finalmente a "vedere" il movimento degli elettroni e a capire esattamente come le due linee di montaggio condividano il lavoro. Questo è importante perché capire come la natura costruisca pannelli solari così efficienti potrebbe aiutarci a progettare celle solari artificiali e batterie migliori per il nostro uso.

I ricercatori hanno deciso di esaminare più da vicino due diverse versioni di questi batteri "rotti". Una versione aveva una versione della molecola sostitutiva lassa e traballante (chiamiamola il "Team Lieve"), mentre l'altra aveva una versione che si incastrava saldamente (il "Team Stretto"). Volevano vedere se la debolezza della molecola cambiasse il modo in cui gli elettroni sceglievano il loro percorso. Per farlo, hanno costruito minuscole bolle artificiali, chiamate proteoliposomi, e hanno attaccato le fabbriche del fotosistema dei batteri su di esse. Poi, hanno colpito le fabbriche con un lampo di luce super rapido e hanno misurato la minuscola scintilla elettrica che saltava attraverso la pelle della bolla.

Ecco cosa hanno scoperto: Nel "Team Stretto", gli elettroni si muovevano con un ritmo prevedibile. Circa il 60% degli elettroni ha preso la via veloce (un ramo che chiameremo ramo B) in circa 5 microsecondi, mentre l'altro 40% ha preso un percorso leggermente più lento (il ramo A) in circa 30 microsecondi. Tuttavia, nel "Team Lieve", la storia cambiava. Gli elettroni erano ancora più lenti. La via veloce impiegava circa 10 microsecondi, e la via lenta si trascinava per circa 100 microsecondi. Più importante ancora, l'equilibrio è cambiato. Nella versione lieve, un enorme 70% degli elettroni ha scelto il ramo B, mentre solo il 30% è andato lungo il ramo A.

Gli scienziati suggeriscono che questo spostamento avvenga perché la molecola lieve rende il ramo A un po' un vicolo cieco. Diventa energeticamente difficile per un elettrone saltare dalla pietra di passaggio del ramo A alla stazione successiva, quindi gli elettroni naturalmente lo evitano e si accalcano nel ramo B. È come se un lato di un ponte avesse una buca gigante; la maggior parte delle auto sceglierebbe istintivamente l'altro lato per evitare l'asperità. Lo studio conferma che in questi batteri mutanti, il flusso di elettroni è pesantemente ridistribuito, con il ramo B che compie quasi tutto il lavoro pesante.

I ricercatori hanno anche controllato se potevano sostituire le molecole lieve con una sostanza chimica diversa per vedere se il sistema si sarebbe riparato da solo. Hanno scoperto che il "Team Stretto" era testardo; la nuova sostanza chimica non riusciva a spingere fuori la molecola originale. Ma il "Team Lieve" era flessibile; la nuova sostanza chimica prendeva facilmente il sopravvento, e le velocità degli elettroni cambiavano di nuovo. Ciò ha dimostrato che il tipo specifico di molecola e quanto saldamente sia trattenuta sono le chiavi per controllare quale percorso prendono gli elettroni.

In breve, questo articolo mostra che la stabilità delle pietre di passaggio all'interno della fabbrica solare detta il flusso del traffico. Quando le pietre sono lisce e instabili, gli elettroni si confondono e si creano colli di bottiglia in una corsia, rallentando tutto. Quando le pietre sono strette e sicure, il traffico scorre in modo più uniforme. Sebbene lo studio non pretenda di aver risolto il mistero di come funzionino tutte le piante, fornisce un quadro chiaro e misurato di come un piccolo cambiamento nell' "arredamento" molecolare possa rimodellare completamente il flusso di energia in un fotosistema.