[ad_1]
Menggunakan mikroskop cryo-elektron, tim peneliti internasional menemukan prinsip-prinsip kunci dalam desain molekul di balik bagaimana beberapa mikroorganisme fotosintesis, yang disebut cyanobacteria, menggunakan cahaya energi rendah yang lazim di lingkungan yang teduh. Temuan ini akan menginformasikan produksi toleransi naungan pada tanaman.
“Matahari menyediakan berbagai panjang gelombang cahaya. Kebanyakan organisme fotosintesis, seperti tanaman yang Anda lihat di luar, hanya menggunakan bagian yang terlihat dari spektrum matahari dari biru, yang energinya lebih tinggi, hingga merah, yang energinya agak lebih rendah. Di tingkat kanopi yang lebih rendah, dan di tanah tepat di bawah permukaan, semua cahaya yang berguna itu hilang – ditangkap dan digunakan oleh tanaman di atasnya. Beberapa cahaya berenergi sangat rendah yang tersisa, bagian dari wilayah inframerah dari spektrum matahari, yang disebut ‘cahaya merah jauh.’” Selama dekade terakhir, para peneliti telah menemukan bahwa mikroorganisme fotosintesis tertentu, yang disebut cyanobacteria, telah beradaptasi untuk menggunakan ini sangat energi rendah, cahaya merah jauh, ”kata Chris Gisriel, penulis utama di kedua dari dua pendamping dokumen diterbitkan di Jurnal Kimia Biologi dan peneliti pascadoktoral di Lab Brudvig di Departemen Kimia di Universitas Yale.
Pemandangan dari dalam peta cryo-EM (kiri) dan komponen rantai transfer elektron dari protein fotosistem (kanan) yang ditemukan di cyanobacteria yang tahan naungan. Detail struktur protein diamati kira-kira satu juta kali lebih kecil daripada yang bisa dilihat mata. Perubahan pada rantai transfer elektron yang memungkinkan penggunaan cahaya berenergi rendah ditunjukkan dalam warna merah muda.
“Jika kita dapat memahami bagaimana cyanobacteria ini menggunakan cahaya merah jauh, kita mungkin dapat menerapkan kemampuan yang sama ke dalam tanaman kita. Ini akan memungkinkan pertumbuhan tanaman yang optimal bahkan ketika kondisi cahaya tidak optimal. Misalnya, tanaman yang lebih pendek dan tahan naungan yang direkayasa secara genetik dapat ditanam di bawah tanaman yang lebih tinggi yang menggunakan cahaya energi yang lebih tinggi, memungkinkan penggunaan lahan yang lebih efisien. Ini akan meningkatkan produksi biomassa yang dapat meringankan berbagai masalah mulai dari kekurangan pangan hingga tantangan produksi bahan bakar.”
Dalam organisme fotosintesis, dua kompleks protein bertanggung jawab untuk menggunakan energi dari metabolisme cahaya menjadi bahan bakar: fotosistem I dan II. Di sinilah perubahan utama terjadi yang memungkinkan penggunaan lampu merah jauh. “Kompleks protein ini sangat kompleks dan memiliki banyak hal untuk diajarkan kepada kita,” kata David Flesher, salah satu penulis pertama di salah satu makalah. “Kami telah mempelajari bahwa perubahan struktural halus pada protein menyebabkan pengikatan pigmen klorofil unik yang memungkinkan pemanfaatan cahaya merah jauh. Mempelajari prinsip-prinsip desain molekuler ini memberikan inspirasi untuk merekayasa prinsip-prinsip yang sama pada tanaman.”
Model penyerapan cahaya energi rendah dan transfer energi ke rantai transfer elektron dalam protein fotosistem yang ditemukan di cyanobacteria toleran naungan.
Ketika cyanobacteria tumbuh dalam cahaya merah jauh, kedua fotosistem bertukar subunit protein yang memungkinkan pengikatan pigmen klorofil khusus. Dalam fotosistem I, para peneliti menemukan bahwa satu jenis klorofil, yang disebut klorofil F, mengikat berbagai situs “antena” dalam protein untuk memanen cahaya berenergi rendah. Pada fotosistem II, klorofil F molekul yang sama digunakan untuk mengumpulkan cahaya energi rendah, tetapi jenis lain dari klorofil, klorofil D, terlibat dalam kimia yang dikatalisis oleh enzim yang memungkinkan air teroksidasi dan menghasilkan pelepasan oksigen.
“Memahami arsitektur fotosistem yang menggunakan cahaya merah jauh, khususnya penyisipan dan fungsi klorofil F dan D molekul ke dalamnya, sangat menarik bagi para peneliti. Dengan pengetahuan ini muncul pemahaman yang lebih baik tentang keragaman mekanisme aklimatisasi untuk fotosintesis di alam dan proses untuk memperoleh prinsip-prinsip desain untuk penyetelan penyerapan cahaya pada tanaman. Sampai sekarang, situs pengikatan klorofil yang tepat F dan D molekul telah menjadi misteri,” kata Donald A. Bryant, Ernest C. Pollard Profesor Bioteknologi dan profesor biokimia dan biologi molekuler di Penn State dan co-pemimpin tim peneliti.
Untuk mencapai ini, tim mengungkapkan struktur cryo-EM dari fotosistem I dan fotosistem II yang diisolasi dari cyanobacteria yang diaklimatisasi dengan cahaya merah jauh.
“Ini adalah pekerjaan terobosan yang mendefinisikan dasar struktural untuk batas energi yang lebih rendah dari fotosintesis yang berevolusi oksigen. Hasilnya memberikan prinsip desain untuk rekayasa sistem fotosintesis alami dan buatan yang memanfaatkan cahaya merah jauh,” kata Gary Brudvig, Profesor Kimia Benjamin Silliman, profesor biofisika dan biokimia molekuler, direktur Institut Ilmu Energi di Kampus Yale West, dan juga ketua tim peneliti.
Sumber: Universitas Yale
[ad_2]
