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4.9: Fotossíntese - Descobrindo os segredos - Biologia

4.9: Fotossíntese - Descobrindo os segredos - Biologia



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Este capítulo fala sobre vários cientistas e seu caminho para descobrir a fotossíntese.

Van Helmont

Talvez o primeiro experimento projetado para explorar a natureza da fotossíntese foi o relatado pelo médico holandês van Helmont em 1648. Alguns anos antes, van Helmont colocou em um grande pote exatamente 200 libras (91 kg) de solo que havia sido completamente seco em um forno. Em seguida, umedeceu o solo com água da chuva e plantou um broto de salgueiro de 2,3 kg. Ele então colocou a panela no chão e cobriu sua borda com uma placa de ferro perfurada. As perfurações permitiam que a água e o ar chegassem ao solo, mas diminuíam a chance de que sujeira ou outros detritos fossem jogados de fora para dentro do vaso.

Por cinco anos, van Helmont manteve sua planta regada com água da chuva ou água destilada. No final desse tempo, ele removeu cuidadosamente a árvore jovem e descobriu que ela havia ganhado 164 libras e 3 onças (74,5 kg). (Este número não inclui o peso das folhas que foram perdidas durante os quatro outonos anteriores.) Ele então voltou a secar o solo e descobriu que pesava apenas 2 onças (57 g) a menos que os 200 libras (91 kg) originais. Diante desses fatos experimentais, van Helmont teorizou que o aumento de peso do salgueiro surgiu apenas da água. Ele não considerou a possibilidade de que gases no ar pudessem estar envolvidos.

Joseph Priestley

A primeira evidência de que gases participam da fotossíntese foi relatada por Joseph Priestley em 1772. Ele sabia que se uma vela acesa fosse colocada em uma câmara selada, a vela logo se apagaria. Se um camundongo for colocado na câmara, ele logo sufocará porque o processo de combustão esgotou todo o oxigênio do ar - o gás do qual depende a respiração animal. No entanto, Priestley descobriu que se uma planta for colocada em uma atmosfera sem oxigênio, ela logo o reabastece, e um camundongo pode sobreviver na mistura resultante. Priestley pensou (erroneamente) que era simplesmente o crescimento da planta que explicava isso.

Ingen-Housz

Foi outro médico holandês, Ingen-Housz, quem descobriu em 1778 que o efeito observado por Priestley ocorria apenas quando a planta era iluminada. Uma planta mantida no escuro em uma câmara selada consome oxigênio da mesma forma que um camundongo (ou vela).

Ingen-Housz também demonstrou que apenas partes verdes das plantas liberavam oxigênio durante a fotossíntese. A estrutura da planta não verde, como caules, raízes, flores e frutos lenhosos, na verdade consomem oxigênio no processo de respiração. Agora sabemos que isso ocorre porque a fotossíntese só pode ocorrer na presença do pigmento verde clorofila.

Jean Senebier

O crescimento das plantas é acompanhado por um aumento em seu conteúdo de carbono. Um ministro suíço, Jean Senebier, descobriu que a fonte desse carbono é o dióxido de carbono e que a liberação de oxigênio durante a fotossíntese acompanha a absorção de dióxido de carbono. Senebier concluiu (erroneamente como se descobriu) que na fotossíntese o dióxido de carbono é decomposto, com o carbono sendo incorporado à matéria orgânica da planta e o oxigênio sendo liberado.

CO2 + H2O → (CH2O) + O2

(Os parênteses ao redor do CH2O significa que nenhuma molécula específica está sendo indicada, mas, em vez disso, a proporção de átomos em algum carboidrato, por exemplo, glicose, C6H12O6.) A equação também indica que a proporção de dióxido de carbono consumido para liberação de oxigênio é de 1: 1, uma descoberta que foi cuidadosamente demonstrada nos anos seguintes ao trabalho de Senebier. Usando glicose como produto de carboidrato, podemos escrever a equação para a fotossíntese como

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

F. F. Blackman

A equação acima mostra a relação entre as substâncias usadas e produzidas pelo processo. Não nos diz nada sobre as etapas intermediárias. Que a fotossíntese envolve pelo menos dois processos bastante distintos tornou-se evidente a partir dos experimentos do fisiologista vegetal britânico F. Blackman. Seus resultados podem ser facilmente duplicados usando a configuração da Figura 4.9.1. A planta de água verde Elodea (disponível onde quer que sejam vendidos suprimentos para aquários) é o organismo de teste. Quando um raminho é colocado de cabeça para baixo em uma solução diluída de NaHCO3 (que serve como fonte de CO2) e iluminadas com uma lâmpada de inundação, bolhas de oxigênio são logo liberadas da parte cortada da haste. Em seguida, conta-se o número de bolhas emitidas em um intervalo fixo de tempo em cada uma das várias intensidades de luz. Plotar esses dados produz um gráfico como o da Figura 4.9.2.

Como a taxa de fotossíntese não continua a aumentar indefinidamente com o aumento da iluminação, Blackman concluiu que pelo menos dois processos distintos estão envolvidos: um, uma reação que requer luz e o outro, uma reação que não. Este último é chamado de reação "escura", embora posso vá na luz. Blackman teorizou que, em intensidades de luz moderadas, a reação da "luz" limita ou "determina o ritmo" de todo o processo. Em outras palavras, nessas intensidades a reação do escuro é capaz de lidar com todas as substâncias intermediárias produzidas pela reação da luz. Com o aumento das intensidades de luz, entretanto, um ponto é eventualmente alcançado quando a reação escura está funcionando em sua capacidade máxima. Qualquer iluminação posterior é ineficaz e o processo atinge uma taxa constante.

Essa interpretação é reforçada pela repetição do experimento como uma temperatura um pouco mais alta. A maioria das reações químicas ocorre mais rapidamente em temperaturas mais altas (até certo ponto). A 35 ° C, a taxa de fotossíntese não se estabiliza até que maiores intensidades de luz estejam presentes. Isso sugere que a reação escura agora está funcionando mais rápido. O fato de que em baixas intensidades de luz a taxa de fotossíntese não é maior a 35 ° C do que a 20 ° C também apóia a ideia de que é uma reação de luz que está limitando o processo nesta faixa. As reações da luz dependem, não da temperatura, mas simplesmente da intensidade da iluminação.

O aumento da taxa de fotossíntese com o aumento da temperatura não ocorre se o fornecimento de CO2 é limitado. Como mostra a figura, a taxa geral de fotossíntese atinge um valor estável em intensidades de luz mais baixas se a quantidade de CO2 disponível é limitado. Assim, CO2 a concentração deve ser adicionada como um terceiro fator que regula a taxa em que ocorre a fotossíntese. Na prática, porém, a concentração disponível para as plantas terrestres é simplesmente a encontrada na atmosfera: 0,035%.

Van Niel

Foi o microbiologista americano Van Niel quem primeiro vislumbrou o papel que a luz desempenha na fotossíntese. Ele estudou a fotossíntese em bactérias sulfurosas roxas. Esses microrganismos sintetizam glicose a partir de CO2 assim como as plantas verdes, e para isso precisam de luz. Água, no entanto, não é o material de partida. Em vez disso, eles usam sulfeto de hidrogênio (H2S). Além disso, nenhum oxigênio é liberado durante a fotossíntese, mas sim o enxofre elementar. Van Niel argumentou que a ação da luz causou a decomposição de H2S em átomos de hidrogênio e enxofre. Então, em uma série de reações escuras, os átomos de hidrogênio foram usados ​​para reduzir o CO2 para carboidratos:

[ ce {CO2 + 2H2S → (CH2O) + H2O + 2S} ]

Van Niel imaginou um paralelo ao processo de fotossíntese conforme ocorre nas plantas verdes. Lá, a energia da luz faz com que a água se decomponha em hidrogênio e oxigênio. Os átomos de hidrogênio são então usados ​​para reduzir o CO2 em uma série de reações escuras:

[ ce {CO2 + 2H2O → (CH2O) + H2O + O2} ]

Se esta teoria estiver correta, segue-se que todo o oxigênio liberado durante a fotossíntese vem da água, assim como todo o enxofre produzido pela bactéria sulfurosa roxa vem de H2S. Esta conclusão contradiz diretamente a teoria de Senebier de que o oxigênio liberado na fotossíntese vem do dióxido de carbono. Se a teoria de Van Niel estiver correta, a equação da fotossíntese teria que ser reescrita:

[ ce {6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6 H2O + 6O2} ]

Na ciência, uma teoria deve ser testável. Por dedução, pode-se fazer uma previsão de como um determinado experimento sairá se a teoria for sólida. Nesse caso, os experimentos cruciais necessários para testar as duas teorias tiveram de aguardar o momento em que o crescimento da pesquisa atômica tornou possível a produção de isótopos diferentes daqueles encontrados naturalmente ou em concentrações maiores do que os encontrados naturalmente.

Samuel Ruben

No ar, água e outros materiais naturais contendo oxigênio, 99,76% dos átomos de oxigênio são 16O e apenas 0,20% deles são os isótopos mais pesados 18O. Em 1941, Samuel Ruben e seus colegas de trabalho na Universidade da Califórnia foram capazes de preparar água especialmente "rotulada" na qual 0,85% das moléculas continham 18Átomos de O. Quando esta água foi fornecida a uma suspensão de algas fotossintetizantes, a proporção de 18O O no gás oxigênio que foi desenvolvido foi de 0,85%, o mesmo da água fornecida, e não simplesmente os 0,20% encontrados em todas as amostras naturais de oxigênio (e seus compostos como o CO2).

% 18O ENCONTRADO EM
EXPERIMENTARH2OCO2O2
1.COMEÇAR0.850.20
FINALIZAR0.850.61*0.86
2.COMEÇAR0.200.68
FINALIZAR0.200.570.20

* Troca não bioquímica de átomos de oxigênio entre a água e os íons de bicarbonato usados ​​como fonte de CO2 explica a captação do isótopo pelo CO2 no primeiro experimento.

Esses resultados demonstraram claramente que a interpretação de Senebier estava errada. Se todo o oxigênio liberado durante a fotossíntese vier do dióxido de carbono, esperaríamos que o oxigênio evoluído no experimento de Ruben contivesse simplesmente os 0,20% encontrados naturalmente. Se, por outro lado, tanto o dióxido de carbono quanto a água contribuem para o oxigênio liberado, poderíamos esperar que sua composição isotópica fosse algum valor intermediário. Na verdade, a composição isotópica do oxigênio evoluído era a mesma da água usada.

Ruben e seus colegas também prepararam uma fonte de dióxido de carbono que foi enriquecida com 18Átomos de O. Quando as algas realizam a fotossíntese usando este material e natural água, o oxigênio desprendido não foi enriquecido em 18O. Continha apenas 0,20% 18O encontrado na água natural usada. Os átomos pesados ​​presumivelmente foram incorporados aos outros dois produtos (carboidratos e subproduto água).

Esses experimentos deram grande apoio à ideia de Van Niel de que uma das funções da luz na fotossíntese era a separação dos átomos de hidrogênio e oxigênio das moléculas de água. Mas ainda faltava descobrir como os átomos de hidrogênio foram disponibilizados para as reações escuras.


Pesquisa surpreendente revela que a fotossíntese pode ser tão antiga quanto a própria vida

A descoberta também desafia as expectativas de como a vida pode ter evoluído em outros planetas. A evolução da fotossíntese que produz oxigênio é considerada o fator-chave no eventual surgimento de vida complexa. Acreditava-se que isso levaria vários bilhões de anos para evoluir, mas se de fato a vida mais antiga foi capaz de fazê-lo, então outros planetas podem ter desenvolvido uma vida complexa muito antes do que se pensava.

“Agora, sabemos que o fotossistema II mostra padrões de evolução que geralmente são atribuídos apenas às enzimas mais antigas conhecidas, que foram cruciais para a evolução da própria vida.” - Dr. Tanai Cardona

A equipe de pesquisa, liderada por cientistas do Imperial College London, rastreou a evolução das proteínas-chave necessárias para a fotossíntese, possivelmente até a origem da vida bacteriana na Terra. Seus resultados são publicados e acessíveis gratuitamente em BBA - Bioenergética.

O pesquisador líder, Dr. Tanai Cardona, do Departamento de Ciências da Vida do Imperial, disse: “Tínhamos mostrado anteriormente que o sistema biológico para realizar a produção de oxigênio, conhecido como Fotossistema II, era extremamente antigo, mas até agora não tínhamos sido capaz de colocá-lo na linha do tempo da história da vida.

& # 8220Agora, sabemos que o fotossistema II mostra padrões de evolução que geralmente são atribuídos apenas às enzimas mais antigas conhecidas, que foram cruciais para a evolução da própria vida. ”

Produção precoce de oxigênio

A fotossíntese, que converte a luz solar em energia, pode vir em duas formas: uma que produz oxigênio e outra que não. Supõe-se que a forma produtora de oxigênio tenha evoluído mais tarde, particularmente com o surgimento de cianobactérias, ou algas verde-azuladas, cerca de 2,5 bilhões de anos atrás.

Embora algumas pesquisas tenham sugerido que bolsões de fotossíntese produtora de oxigênio (oxigênio) podem ter existido antes disso, ainda era considerada uma inovação que levou pelo menos dois bilhões de anos para evoluir na Terra.

A nova pesquisa descobriu que enzimas capazes de realizar o processo-chave na fotossíntese oxigenada - dividir a água em hidrogênio e oxigênio - podem na verdade estar presentes em algumas das primeiras bactérias. A evidência mais antiga de vida na Terra tem mais de 3,4 bilhões de anos e alguns estudos sugeriram que a vida mais antiga poderia ter mais de 4,0 bilhões de anos.

Colônias de cianobactérias ao microscópio.

Como a evolução do olho, a primeira versão da fotossíntese oxigenada pode ter sido muito simples e ineficiente, visto que os primeiros olhos sentiam apenas a luz, a primeira fotossíntese pode ter sido muito ineficiente e lenta.

Na Terra, levou mais de um bilhão de anos para que as bactérias aperfeiçoassem o processo que levou à evolução das cianobactérias, e mais dois bilhões de anos para que animais e plantas conquistassem a terra. No entanto, como a produção de oxigênio estava presente tão cedo significa que em outros ambientes, como em outros planetas, a transição para uma vida complexa poderia ter levado muito menos tempo.

Medindo relógios moleculares

A equipe fez sua descoberta traçando o "relógio molecular" das principais proteínas da fotossíntese responsáveis ​​pela divisão da água. Este método estima a taxa de evolução das proteínas observando o tempo entre os momentos evolutivos conhecidos, como o surgimento de diferentes grupos de cianobactérias ou plantas terrestres, que hoje carregam uma versão dessas proteínas. A taxa de evolução calculada é então estendida no tempo, para ver quando as proteínas evoluíram pela primeira vez.

“Poderíamos desenvolver fotossistemas capazes de realizar novas reações químicas ecológicas e sustentáveis ​​complexas, totalmente alimentadas por luz.” - Dr. Tanai Cardona

Eles compararam a taxa de evolução dessas proteínas de fotossíntese com a de outras proteínas-chave na evolução da vida, incluindo aquelas que formam moléculas de armazenamento de energia no corpo e aquelas que traduzem sequências de DNA em RNA, que se pensa ter se originado antes do ancestral de toda a vida celular na Terra. Eles também compararam a taxa com eventos que sabidamente ocorreram mais recentemente, quando a vida já era variada e as cianobactérias apareceram.

As proteínas da fotossíntese mostraram padrões de evolução quase idênticos aos das enzimas mais antigas, remontando no tempo, sugerindo que evoluíram de maneira semelhante.

O primeiro autor do estudo, Thomas Oliver, do Departamento de Ciências da Vida do Imperial, disse: “Usamos uma técnica chamada Reconstrução de Sequência Ancestral para prever as sequências de proteínas de proteínas fotossintéticas ancestrais.

& # 8220 Essas sequências nos fornecem informações sobre como o ancestral Fotossistema II teria funcionado e fomos capazes de mostrar que muitos dos principais componentes necessários para a evolução do oxigênio no fotossistema II podem ser rastreados até os primeiros estágios da evolução da enzima. ”

Evolução dirigida

Saber como essas proteínas-chave da fotossíntese evoluem não é apenas relevante para a busca de vida em outros planetas, mas também pode ajudar os pesquisadores a encontrar estratégias para usar a fotossíntese de novas maneiras por meio da biologia sintética.

O Dr. Cardona, que está liderando esse projeto como parte de seu UKRI Future Leaders Fellowship, disse: “Agora que temos uma boa noção de como as proteínas da fotossíntese evoluem, adaptando-se a um mundo em mudança, podemos usar a 'evolução direcionada' para aprender como para mudá-los para produzir novos tipos de química.

& # 8220Podemos desenvolver fotossistemas que podem realizar novas reações químicas ecológicas e sustentáveis ​​complexas, totalmente alimentadas por luz. ”


Joseph Priestley

A primeira evidência de que gases participam da fotossíntese foi relatada por Joseph Priestley em 1772. Ele sabia que se uma vela acesa fosse colocada em uma câmara selada, a vela logo se apagaria. Se um camundongo for colocado na câmara, ele logo sufocará porque o processo de combustão esgotou todo o oxigênio do ar - o gás do qual depende a respiração animal. No entanto, Priestley descobriu que se uma planta for colocada em uma atmosfera sem oxigênio, ela logo reabastece o oxigênio, e um camundongo pode sobreviver na mistura resultante. Priestley pensou (erroneamente) que era simplesmente o crescimento da planta que explicava isso.


A descoberta incremental pode um dia levar a um avanço fotossintético

A fotossíntese é um dos processos mais complicados e importantes - responsável pelo início da cadeia alimentar da Terra. Embora tenhamos modelado suas mais de 100 etapas principais, os cientistas ainda estão descobrindo a finalidade das proteínas que podem ser projetadas para aumentar o rendimento, como os cientistas provaram recentemente em Ciência. Agora, os pesquisadores descobriram segredos sobre outra proteína, a CP12 - cujo conhecimento total pode fornecer uma via adicional para aumentar a produtividade no futuro.

Existem três formas da proteína CP12 que regulam as enzimas GAPDH e PRK. Pense nas enzimas como os burros de carga e no CP12 como o cavalariço que segura as rédeas. O CP12 diz a eles para começarem a trabalhar quando houver luz e os refreia quando estiver escuro.

"O CP12 é um componente importante porque ajuda as plantas a responder às mudanças nos níveis de luz, por exemplo, quando a planta é sombreada por uma folha ou nuvem", disse a primeira autora Patricia Lopez, pesquisadora de pós-doutorado em Percepção da Eficiência Fotossintética Aumentada (RIPE) que liderou este pesquisar. "O CP12 interrompe a atividade das enzimas em segundos, mas sem o CP12, levará vários minutos para desacelerar a atividade, custando energia preciosa à planta."

Publicado no Journal of Experimental Botany, Lopez e co-autores descobriram que nem todas as enzimas CP12 são criadas iguais. Acontece que o CP12-3 não faz parte desse processo - enquanto o CP12-1 e o CP12-2 são responsáveis ​​e podem cobrir um ao outro. Livre-se de todos os três, e a planta não pode fotossintetizar com eficiência, resultando em uma planta drasticamente menor com menos sementes menores.

Na verdade, sem o CP12 para segurar as rédeas, o PRK também desaparece. "PRK é um burro de carga vital que fornece a matéria-prima para a enzima Rubisco se transformar em carboidratos - os açúcares que a planta usa para crescer e produzir mais rendimento", disse a autora principal Christine Raines, professora de fisiologia molecular de plantas na Universidade de Essex.

A agricultura está se aproximando dos limites das características de produção que impulsionaram os notáveis ​​aumentos de produção no século passado, disse o diretor associado da RIPE, Don Ort, cientista do USDA / ARS e professor de Biologia Vegetal Robert Emerson no Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica. "Melhorar a fotossíntese tem a promessa de ser a próxima fronteira para aumentar drasticamente o rendimento das safras e, pela primeira vez, há uma compreensão molecular da fotossíntese e ferramentas tecnológicas poderosas para tornar a fotossíntese de engenharia um objetivo realista e atingível."


Descobrindo o código secreto por trás da fotossíntese

(PhysOrg.com) - Cientistas do Queen Mary, da Universidade de Londres, descobriram que um antigo sistema de comunicação encontrado em bactérias primitivas também pode explicar como as plantas e as algas controlam o processo de fotossíntese.

Os sistemas de transdução de sinal de dois componentes (TCSTs) há muito são reconhecidos como a principal maneira pela qual as bactérias coordenam suas respostas às mudanças em seu ambiente. Mas pesquisas recentes mostraram que esses sistemas "bacterianos" de dois componentes também sobreviveram em plantas e algas, como forma de enviar sinais dentro de suas células.

Esses sistemas, que se acredita terem evoluído a partir de cianobactérias antigas, são encontrados nos cloroplastos - a parte de uma célula de uma planta que realiza a fotossíntese, convertendo luz em energia química.

Escrevendo no jornal da Royal Society Proceedings of the Royal Society: B, o Dr. Sujith Puthiyaveetil e o Professor John F Allen da Escola de Ciências Biológicas e Químicas da Rainha Mary relatam que esses sistemas de dois componentes têm desempenhado um papel fundamental na ligação do processo de fotossíntese com expressão do gene, determinando assim a maneira como todas as plantas se adaptam a ambientes em mudança.

O Dr. Puthiyaveetil explica: "Já sabemos que os sistemas de dois componentes atuam como um tipo de botão liga / desliga para genes em bactérias. Mas a sobrevivência desses botões liga / desliga do tipo bacteriano em cloroplastos sugere um novo modelo para a regulação gênica em plantas . "

O professor Allen acrescenta: “Para muitos, será um choque saber que algumas mensagens são enviadas dentro das células vegetais - e, provavelmente, células animais - usando o mesmo sistema telegráfico que o encontrado nas bactérias 'primitivas'. Seria como descobrir Código Morse em sua rede de computadores ou um cilindro de cera no coração de seu novo e brilhante HiFi digital. Para nós, no entanto, a descoberta é uma evidência empolgante de uma teoria pouco ortodoxa da evolução celular publicada pela primeira vez há dezesseis anos no Journal of Theoretical Biology . "

Mais informações: 'Sistemas de cloroplasto de dois componentes: evolução da ligação entre a fotossíntese e a expressão gênica', será publicado na edição online de Procedimentos da Royal Society: B em 25 de fevereiro de 2009.


10.1 Usando a microbiologia para descobrir os segredos da vida

Alex é um estudante universitário de 22 anos que passou férias em Puerta Vallarta, no México, nas férias de primavera. Infelizmente, dois dias depois de voar para casa em Ohio, ele começou a sentir cólicas abdominais e diarreia aquosa extensa. Por causa de seu desconforto, ele procurou atendimento médico em um grande hospital de Cincinnati nas proximidades.

Vá para a próxima caixa de Foco Clínico.

Ao longo do início do século 20, o DNA ainda não era reconhecido como o material genético responsável pela hereditariedade, a passagem de características de uma geração para a outra. Na verdade, grande parte da pesquisa foi rejeitada até meados do século XX. A comunidade científica acreditava, incorretamente, que o processo de herança envolvia uma combinação de características parentais que produziam uma aparência física intermediária na prole. Esse processo hipotético parecia correto por causa do que conhecemos agora como variação contínua, que resulta da ação de muitos genes para determinar uma característica particular, como a altura humana. A prole parece ser uma "mistura" das características de seus pais quando olhamos para as características que exibem variação contínua. A teoria da herança da mistura afirmava que as características parentais originais foram perdidas ou absorvidas pela mistura na prole, mas agora sabemos que esse não é o caso.

Duas linhas distintas de pesquisa, iniciadas em meados de 1800, acabaram por levar à descoberta e caracterização do DNA e aos fundamentos da genética, a ciência da hereditariedade. Essas linhas de pesquisa começaram a convergir na década de 1920, e a pesquisa usando sistemas microbianos acabou resultando em contribuições significativas para elucidar a base molecular da genética.

Descoberta e caracterização de DNA

A compreensão moderna do DNA evoluiu desde a descoberta do ácido nucléico até o desenvolvimento do modelo de dupla hélice. Na década de 1860, Friedrich Miescher (1844-1895), médico de profissão, foi a primeira pessoa a isolar produtos químicos ricos em fósforo de leucócitos (glóbulos brancos) do pus em bandagens usadas de uma clínica cirúrgica local. Ele chamou esses produtos químicos (que mais tarde seriam conhecidos como RNA e DNA) de “nucleína” porque eram isolados do núcleo das células. Seu aluno Richard Altmann (1852–1900) posteriormente denominou-o “ácido nucleico” 20 anos depois, quando descobriu a natureza ácida da nucleína. Nas últimas duas décadas do século 19, o bioquímico alemão Albrecht Kossel (1853–1927) isolou e caracterizou as cinco diferentes bases de nucleotídeos que compõem o ácido nucléico. Estes são adenina, guanina, citosina, timina (no DNA) e uracila (no RNA). Kossell recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1910 por seu trabalho com ácidos nucléicos e por seu trabalho considerável com proteínas, incluindo a descoberta da histidina.

Fundamentos da Genética

Apesar da descoberta do DNA no final dos anos 1800, os cientistas não fizeram a associação com a hereditariedade por muitas décadas. Para fazer essa conexão, os cientistas, incluindo vários microbiologistas, realizaram muitos experimentos em plantas, animais e bactérias.

Plantas de ervilha de Mendel

Enquanto Miescher estava isolando e descobrindo o DNA na década de 1860, o monge e botânico austríaco Johann Gregor Mendel (1822-1884) fazia experiências com ervilhas, demonstrando e documentando padrões básicos de herança, agora conhecidos como leis de Mendel.

Em 1856, Mendel começou sua pesquisa de uma década sobre os padrões de herança. Ele usou a ervilha diplóide, Pisum sativum, como seu sistema de modelo primário porque se autofertiliza naturalmente e é altamente consanguíneo, produzindo linhagens de ervilhas "verdadeiras" - plantas que sempre produzem descendentes que se parecem com o pai. Ao fazer experiências com ervilhas de reprodução verdadeira, Mendel evitou o aparecimento de características inesperadas na prole que poderiam ocorrer se ele usasse plantas que não fossem de reprodução verdadeira. Mendel realizou hibridizações, que envolvem o acasalamento de dois indivíduos reprodutores verdadeiros (geração P) que têm características diferentes, e examinou as características de seus descendentes (primeira geração filial, F1), bem como a prole de autofecundação do F1 geração (segunda geração filial, F2) (Figura 10.2).

Em 1865, Mendel apresentou os resultados de seus experimentos com cerca de 30.000 pés de ervilha para a sociedade de história natural local. Ele demonstrou que as características são transmitidas fielmente de pais para filhos, independentemente de outras características. Em 1866, ele publicou seu trabalho, "Experiments in Plant Hybridization", 1 no Anais da Sociedade de História Natural de Brünn. O trabalho de Mendel passou praticamente despercebido pela comunidade científica, que acreditava, incorretamente, na teoria da combinação de características em variação contínua.

Ele não foi reconhecido por suas extraordinárias contribuições científicas durante sua vida. Na verdade, foi só em 1900 que seu trabalho foi redescoberto, reproduzido e revitalizado por cientistas à beira de descobrir a base cromossômica da hereditariedade.

A Teoria Cromossômica da Herança

Mendel realizou seus experimentos muito antes de os cromossomos serem visualizados em um microscópio. No entanto, com o aprimoramento das técnicas microscópicas durante o final dos anos 1800, os biólogos celulares puderam tingir e visualizar estruturas subcelulares com corantes e observar suas ações durante a meiose. Eles foram capazes de observar a replicação dos cromossomos, condensando-se de uma massa nuclear amorfa em corpos distintos em forma de X e migrando para pólos celulares separados. A especulação de que os cromossomos podem ser a chave para a compreensão da hereditariedade levou vários cientistas a examinar as publicações de Mendel e reavaliar seu modelo em termos do comportamento dos cromossomos durante a mitose e a meiose.

Em 1902, Theodor Boveri (1862-1915) observou que nos ouriços-do-mar, os componentes nucleares (cromossomos) determinavam o desenvolvimento embrionário adequado. Nesse mesmo ano, Walter Sutton (1877-1916) observou a separação de cromossomos em células filhas durante a meiose. Juntas, essas observações levaram ao desenvolvimento da Teoria Cromossômica da Herança, que identificou os cromossomos como o material genético responsável pela herança Mendeliana.

Apesar das correlações convincentes entre o comportamento dos cromossomos durante a meiose e as observações de Mendel, a Teoria Cromossômica da Herança foi proposta muito antes de haver qualquer evidência direta de que as características eram carregadas nos cromossomos. Thomas Hunt Morgan (1866–1945) e seus colegas passaram vários anos realizando cruzamentos com a mosca da fruta, Drosophila melanogaster. Eles realizaram observações microscópicas meticulosas de cromossomos de mosca e correlacionaram essas observações com as características resultantes da mosca. Seu trabalho forneceu a primeira evidência experimental para apoiar a Teoria Cromossômica da Herança no início do século XX. Em 1915, Morgan e seus colegas “Fly Room” publicaram O Mecanismo da Hereditariedade Mendeliana, que identificava os cromossomos como as estruturas celulares responsáveis ​​pela hereditariedade. Por suas muitas contribuições significativas para a genética, Morgan recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1933.

No final da década de 1920, Barbara McClintock (1902–1992) desenvolveu técnicas de coloração cromossômica para visualizar e diferenciar os diferentes cromossomos do milho (milho). Nas décadas de 1940 e 1950, ela identificou um evento de quebra no cromossomo 9, que ela chamou de locus de dissociação (Ds). Ds pode mudar de posição dentro do cromossomo. Ela também identificou um locus ativador (Ac). Ds a quebra do cromossomo pode ser ativada por um Ac elemento (enzima transposase). No início, a descoberta de McClintock desses genes saltadores, que agora chamamos de transposons, não foi aceita pela comunidade científica. Não foi até 1960 e mais tarde que os transposons foram descobertos em bacteriófagos, bactérias e Drosófila. Hoje, sabemos que os transposons são segmentos móveis de DNA que podem se mover dentro do genoma de um organismo. Eles podem regular a expressão de genes, expressão de proteínas e virulência (capacidade de causar doenças).

Micróbios e vírus na pesquisa genética

Microbiologistas também desempenharam um papel crucial em nossa compreensão da genética. Organismos experimentais como ervilhas de jardim de Mendel, moscas de fruta de Morgan e milho de McClintock já haviam sido usados ​​com sucesso para pavimentar o caminho para a compreensão da genética. No entanto, micróbios e vírus foram (e ainda são) excelentes sistemas modelo para o estudo da genética porque, ao contrário de ervilhas, moscas-das-frutas e milho, eles se propagam mais facilmente em laboratório, crescendo até altas densidades populacionais em um pequeno espaço e em pouco tempo. Além disso, devido à sua simplicidade estrutural, micróbios e vírus são mais facilmente manipulados geneticamente.

Felizmente, apesar das diferenças significativas em tamanho, estrutura, estratégias de reprodução e outras características biológicas, há unidade bioquímica entre todos os organismos; eles têm em comum as mesmas moléculas subjacentes responsáveis ​​pela hereditariedade e pelo uso de material genético para dar às células suas características variáveis. Nas palavras do cientista francês Jacques Monod, “O que é verdade para E. coli também é verdade para o elefante ”, o que significa que a bioquímica da vida foi mantida ao longo da evolução e é compartilhada em todas as formas de vida, desde organismos unicelulares simples até organismos grandes e complexos. Essa continuidade bioquímica torna os micróbios excelentes modelos para uso em estudos genéticos.

Em um conjunto inteligente de experimentos nas décadas de 1930 e 1940, o cientista alemão Joachim Hämmerling (1901-1980), usando a alga unicelular Acetabularia como um modelo microbiano, estabeleceu que a informação genética em uma célula eucariótica está alojada dentro do núcleo. Acetabularia spp. são células de algas invulgarmente grandes que crescem assimetricamente, formando um “pé” contendo o núcleo, que é usado para fixação de substrato, um caule e uma capa em forma de guarda-chuva - estruturas que podem ser facilmente vistas a olho nu. Em um primeiro conjunto de experimentos, Hämmerling removeu a capa ou a base das células e observou se novas capas ou pés foram regenerados (Figura 10.3). Ele descobriu que quando o pé dessas células era removido, novos pés não cresciam; entretanto, quando as capas eram removidas das células, novas capas eram regeneradas. Isso sugeriu que a informação hereditária estava localizada na base que contém o núcleo de cada célula.

Em outro conjunto de experimentos, Hämmerling usou duas espécies de Acetabularia que têm diferentes morfologias de cap, A. crenulata e A. mediterranea (Figura 10.4). Ele cortou as tampas de ambos os tipos de células e, em seguida, enxertou o caule de um A. crenulata em um A. mediterranea pé e vice-versa. Com o tempo, ele observou que a célula enxertada com o A. crenulata pé e A. mediterranea talo desenvolveu uma tampa com o A. crenulata morfologia. Por outro lado, a célula enxertada com o A. mediterranea pé e A. crenulata talo desenvolveu uma tampa com o A. mediterranea morfologia. Ele confirmou microscopicamente a presença de núcleos nos pés dessas células e atribuiu o desenvolvimento dessas morfologias de capa ao núcleo de cada célula enxertada. Assim, ele mostrou experimentalmente que o núcleo era a localização do material genético que ditava as propriedades de uma célula.

Outro modelo microbiano, o molde de pão vermelho Neurospora crassa , foi usado por George Beadle e Edward Tatum para demonstrar a relação entre os genes e as proteínas que eles codificam. Beadle havia trabalhado com moscas-das-frutas no laboratório de Morgan, mas as achou muito complexas para realizar certos tipos de experimentos. N. crassa, por outro lado, é um organismo mais simples e tem a capacidade de crescer em um meio mínimo, pois contém vias enzimáticas que permitem usar o meio para produzir suas próprias vitaminas e aminoácidos.

Beadle e Tatum irradiaram o molde com raios-X para induzir mudanças em uma sequência de ácidos nucléicos, chamados de mutações. Eles acasalaram os esporos de fungos irradiados e tentaram cultivá-los em um meio completo e um meio mínimo. Eles procuraram mutantes que cresceram em um meio completo, suplementado com vitaminas e aminoácidos, mas não cresceram no meio mínimo sem esses suplementos. Esses moldes teoricamente continham mutações nos genes que codificavam as vias biossintéticas. Ao encontrar tais mutantes, eles testaram sistematicamente cada um para determinar qual vitamina ou aminoácido era incapaz de produzir (Figura 10.5) e publicaram este trabalho em 1941. 2

Trabalhos subsequentes de Beadle, Tatum e colegas mostraram que eles podiam isolar diferentes classes de mutantes que exigiam um suplemento específico, como o aminoácido arginina (Figura 10.6). Com algum conhecimento da via de biossíntese de arginina, eles identificaram três classes de mutantes de arginina, suplementando o meio mínimo com intermediários (citrulina ou ornitina) na via. Os três mutantes diferiam na capacidade de crescer em cada um dos meios, o que levou o grupo de cientistas a propor, em 1945, que cada tipo de mutante apresentava um defeito em um gene diferente na via de biossíntese da arginina. Isso levou à chamada hipótese de um gene - uma enzima, que sugeria que cada gene codifica uma enzima.

O conhecimento subsequente sobre os processos de transcrição e tradução levou os cientistas a revisar isso para a hipótese de “um gene - um polipeptídeo”. Embora existam alguns genes que não codificam polipeptídeos (mas sim codificam para RNAs de transferência [tRNAs] ou RNAs ribossômicos [rRNAs], que discutiremos mais tarde), a hipótese de um gene-uma enzima é verdadeira em muitos casos, especialmente em micróbios . A descoberta de Beadle e Tatum da ligação entre os genes e as características correspondentes lhes valeu o Prêmio Nobel de Fisiologia e Medicina de 1958 e desde então se tornou a base para a genética molecular moderna.

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Para saber mais sobre os experimentos de Beadle e Tatum, visite este site do DNA Learning Center.

Verifique sua compreensão

  • Que organismo Morgan e seus colegas usaram para desenvolver a Teoria Cromossômica da Herança? Que características eles rastrearam?
  • O que Hämmerling provou com seus experimentos em Acetabularia?

DNA como a molécula responsável pela hereditariedade

No início do século 20, muito trabalho já havia sido feito na caracterização do DNA e no estabelecimento das bases da genética, incluindo a atribuição de hereditariedade aos cromossomos encontrados dentro do núcleo. Apesar de todas essas pesquisas, foi só no século 20 que essas linhas de pesquisa convergiram e os cientistas começaram a considerar que o DNA poderia ser o material genético que os descendentes herdaram de seus pais. O DNA, contendo apenas quatro nucleotídeos diferentes, era considerado estruturalmente simples demais para codificar informações genéticas tão complexas. Em vez disso, pensava-se que a proteína tinha a complexidade necessária para servir como informação genética celular porque é composta de 20 aminoácidos diferentes que podem ser combinados em uma grande variedade de combinações. Microbiologistas desempenharam um papel fundamental na pesquisa que determinou que o DNA é a molécula responsável pela hereditariedade.

Experimentos de transformação de Griffith

O bacteriologista britânico Frederick Griffith (1879-1941) foi talvez a primeira pessoa a mostrar que a informação hereditária poderia ser transferida de uma célula para outra "horizontalmente" (entre membros da mesma geração), em vez de "verticalmente" (de pais para filhos) . In 1928, he reported the first demonstration of bacterial transformation , a process in which external DNA is taken up by a cell, thereby changing its characteristics. 3 He was working with two strains of Streptococcus pneumoniae , a bacterium that causes pneumonia: a rough (R) strain and a smooth (S) strain. The R strain is nonpathogenic and lacks a capsule on its outer surface as a result, colonies from the R strain appear rough when grown on plates. The S strain is pathogenic and has a capsule outside its cell wall, allowing it to escape phagocytosis by the host immune system. The capsules cause colonies from the S strain to appear smooth when grown on plates.

In a series of experiments, Griffith analyzed the effects of live R, live S, and heat-killed S strains of S. pneumoniae on live mice (Figure 10.7). When mice were injected with the live S strain, the mice died. When he injected the mice with the live R strain or the heat-killed S strain, the mice survived. But when he injected the mice with a mixture of live R strain and heat-killed S strain, the mice died. Upon isolating the live bacteria from the dead mouse, he only recovered the S strain of bacteria. When he then injected this isolated S strain into fresh mice, the mice died. Griffith concluded that something had passed from the heat-killed S strain into the live R strain and “transformed” it into the pathogenic S strain he called this the “transforming principle.” These experiments are now famously known as Griffith’s transformation experiments .

In 1944, Oswald Avery , Colin MacLeod , and Maclyn McCarty were interested in exploring Griffith’s transforming principle further. They isolated the S strain from infected dead mice, heat-killed it, and inactivated various components of the S extract, conducting a systematic elimination study (Figure 10.8). They used enzymes that specifically degraded proteins, RNA, and DNA and mixed the S extract with each of these individual enzymes. Then, they tested each extract/enzyme combination’s resulting ability to transform the R strain, as observed by the diffuse growth of the S strain in culture media and confirmed visually by growth on plates. They found that when DNA was degraded, the resulting mixture was no longer able to transform the R strain bacteria, whereas no other enzymatic treatment was able to prevent transformation. This led them to conclude that DNA was the transforming principle. Despite their results, many scientists did not accept their conclusion, instead believing that there were protein contaminants within their extracts.

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  • How did Avery, MacLeod, and McCarty’s experiments show that DNA was the transforming principle first described by Griffith?

Hershey and Chase’s Proof of DNA as Genetic Material

Alfred Hershey and Martha Chase performed their own experiments in 1952 and were able to provide confirmatory evidence that DNA , not protein, was the genetic material (Figure 10.9). 4 Hershey and Chase were studying a bacteriophage , a virus that infects bacteria. Viruses typically have a simple structure: a protein coat, called the capsid, and a nucleic acid core that contains the genetic material, either DNA or RNA (see Viruses). The particular bacteriophage they were studying was the T2 bacteriophage, which infects E. coli células. As we now know today, T2 attaches to the surface of the bacterial cell and then it injects its nucleic acids inside the cell. The phage DNA makes multiple copies of itself using the host machinery, and eventually the host cell bursts, releasing a large number of bacteriophages.

Hershey and Chase labeled the protein coat in one batch of phage using radioactive sulfur, 35 S, because sulfur is found in the amino acids methionine and cysteine but not in nucleic acids. They labeled the DNA in another batch using radioactive phosphorus, 32 P, because phosphorus is found in DNA and RNA but not typically in protein.

Each batch of phage was allowed to infect the cells separately. After infection, Hershey and Chase put each phage bacterial suspension in a blender, which detached the phage coats from the host cell, and spun down the resulting suspension in a centrifuge. The heavier bacterial cells settled down and formed a pellet, whereas the lighter phage particles stayed in the supernatant. In the tube with the protein labeled, the radioactivity remained only in the supernatant. In the tube with the DNA labeled, the radioactivity was detected only in the bacterial cells. Hershey and Chase concluded that it was the phage DNA that was injected into the cell that carried the information to produce more phage particles, thus proving that DNA, not proteins, was the source of the genetic material. As a result of their work, the scientific community more broadly accepted DNA as the molecule responsible for heredity.

By the time Hershey and Chase published their experiment in the early 1950s, microbiologists and other scientists had been researching heredity for over 80 years. Building on one another’s research during that time culminated in the general agreement that DNA was the genetic material responsible for heredity (Figure 10.10). This knowledge set the stage for the age of molecular biology to come and the significant advancements in biotechnology and systems biology that we are experiencing today.

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To learn more about the experiments involved in the history of genetics and the discovery of DNA as the genetic material of cells, visit this website from the DNA Learning Center.


Pseudocyclic Photophosphorylation

Another way to make up the deficit is by a process called pseudocyclic photophosphorylation in which some of the electrons passing to ferredoxin then reduce molecular oxygen back to H2O instead of reducing NADP + to NADPH.

At first glance, this might seem a fruitless undoing of all the hard work of photosynthesis. But look again. Although the electrons cycle from water to ferredoxin and back again, part of their pathway is through the chemiosmosis-generating stem of cytochrome b6/f.

Here, then, is another way that simply by turning on a light, enough energy is imparted to electrons that they can bring about the synthesis of ATP.


Os passos

  • CO2 combina com o açúcar fosforilado de 5 carbonos bifosfato de ribulose.
  • Esta reação é catalisada pela enzima ribulose bifosfato carboxilase oxigenase (RUBISCO) (uma enzima que pode ser considerada a enzima mais abundante do planeta).
  • O composto de 6 carbonos resultante se divide em duas moléculas de Ácido 3-fosfoglicérico (PGA).
  • As moléculas de PGA são ainda fosforiladas (por ATP) e são reduzidos (por NADPH) formar fosfogliceraldeído (PGAL).
  • Fosfogliceraldeído serve como material de partida para a síntese de glicose e frutose.
  • Glicose e frutose formam o dissacarídeosacarose, que viaja em solução para outras partes da planta (por exemplo, frutas, raízes).
  • A glicose também é o monômero usado na síntese do polissacarídeosamido e celulose.

O gráfico mostra as etapas da fixação do dióxido de carbono durante a fotossíntese. Todas essas reações ocorrem no estroma do cloroplasto.

Essas etapas foram elaboradas por Melvin Calvin e seus colegas da Universidade da Califórnia e, por esse motivo, são chamadas de ciclo de Calvin.


Cientistas descobrem um novo tipo de fotossíntese

A descoberta muda nossa compreensão do mecanismo básico da fotossíntese e deve reescrever os livros didáticos. Ele também ajustará a forma como caçamos vida alienígena e fornecerá insights sobre como podemos criar safras mais eficientes que aproveitam os comprimentos de onda de luz mais longos.

A descoberta, publicada hoje na Science, foi liderada pelo Imperial College London, apoiado pelo BBSRC, e envolveu grupos da ANU em Canberra, o CNRS em Paris e Saclay e o CNR em Milão.

A grande maioria da vida na Terra usa luz vermelha visível no processo de fotossíntese, mas o novo tipo usa luz infravermelha próxima. Foi detectado em uma ampla gama de cianobactérias (algas verde-azuladas) quando crescem em luz infravermelha, encontrada em condições de sombra como tapetes bacterianos em Yellowstone e em rochas de praia na Austrália.

Como os cientistas descobriram agora, também ocorre em um armário equipado com LEDs infravermelhos no Imperial College London.

Fotossíntese além do limite vermelho

O tipo de fotossíntese padrão, quase universal, usa o pigmento verde, clorofila-a, tanto para coletar luz quanto para usar sua energia para produzir compostos bioquímicos e oxigênio úteis. A maneira como a clorofila-a absorve luz significa que apenas a energia da luz vermelha pode ser usada para a fotossíntese.

Uma vez que a clorofila-a está presente em todas as plantas, algas e cianobactérias que conhecemos, foi considerado que a energia da luz vermelha definia o & # 8216limite vermelho & # 8217 para a fotossíntese, ou seja, a quantidade mínima de energia necessária para fazer o química que produz oxigênio. O limite vermelho é usado na astrobiologia para julgar se vida complexa poderia ter evoluído em planetas de outros sistemas solares.

Seção transversal da rocha da praia (Ilha Heron, Austrália) mostrando cianobactérias contendo clorofila-f (faixa verde) crescendo profundamente na rocha, vários milímetros abaixo da superfície. Dennis Nuernberg

No entanto, quando algumas cianobactérias são cultivadas sob luz infravermelha próxima, os sistemas padrão contendo clorofila-a são desligados e diferentes sistemas contendo um tipo diferente de clorofila, clorofila-f, assumem o controle.

Até agora, pensava-se que a clorofila-f apenas colheu a luz. A nova pesquisa mostra que, em vez da clorofila-f, desempenha um papel fundamental na fotossíntese em condições de sombra, usando luz infravermelha de baixa energia para fazer a química complexa. Esta é a fotossíntese & # 8216 além do limite vermelho & # 8217.

O pesquisador principal, Professor Bill Rutherford, do Departamento de Ciências da Vida do Imperial, disse: & # 8220A nova forma de fotossíntese nos fez repensar o que pensávamos ser possível. Também muda a forma como entendemos os eventos-chave no centro da fotossíntese padrão. Este é um livro didático que muda coisas. & # 8221

Prevenindo danos pela luz

Outra cianobactéria, a Acaryochloris, já é conhecida por fazer fotossíntese além do limite vermelho. No entanto, por ocorrer apenas nesta espécie, com um habitat muito específico, foi considerado um & # 8216 único & # 8217. Acaryochloris vive sob um esguicho verde do mar que obscurece a maior parte da luz visível, deixando apenas o infravermelho próximo.

A fotossíntese com base na clorofila f relatada hoje representa um terceiro tipo de fotossíntese que é amplamente difundido. No entanto, ele só é usado em condições especiais de sombra rica em infravermelho em condições normais de luz, a forma vermelha padrão de fotossíntese é usada.

Pensava-se que os danos leves seriam mais graves além do limite vermelho, mas o novo estudo mostra que não é um problema em ambientes estáveis ​​e sombreados.

A coautora Dra. Andrea Fantuzzi, do Departamento de Ciências da Vida da Imperial, disse: & # 8220 Encontrar um tipo de fotossíntese que funciona além do limite vermelho muda nossa compreensão das necessidades de energia da fotossíntese. Isso fornece insights sobre o uso de energia da luz e os mecanismos que protegem os sistemas contra danos causados ​​pela luz. & # 8221

Essas percepções podem ser úteis para pesquisadores que tentam projetar safras para realizar fotossíntese mais eficiente usando uma gama mais ampla de luz. A forma como essas cianobactérias se protegem dos danos causados ​​por variações no brilho da luz pode ajudar os pesquisadores a descobrir o que é viável fazer engenharia em plantas agrícolas.

Percepções que mudam o livro didático

Mais detalhes podem ser vistos nos novos sistemas do que nunca nos sistemas padrão de clorofila-a. As clorofilas frequentemente denominadas & # 8216accessórias & # 8217 clorofilas estavam realmente realizando a etapa química crucial, ao invés do livro-texto & # 8216parar especial & # 8217 de clorofilas no centro do complexo.

Isso indica que esse padrão é válido para os outros tipos de fotossíntese, o que mudaria a visão do livro de como funciona a forma dominante de fotossíntese.

O Dr. Dennis Nürnberg, o primeiro autor e iniciador do estudo, disse: & # 8220Eu não esperava que meu interesse em cianobactérias e seus diversos estilos de vida se transformasse em uma grande mudança em como entendemos a fotossíntese. É incrível o que ainda está lá fora na natureza esperando para ser descoberto. & # 8221

Peter Burlinson, líder de biociência de fronteira no BBSRC & # 8211 UKRI diz: & # 8220Esta é uma descoberta importante na fotossíntese, um processo que desempenha um papel crucial na biologia das culturas que alimentam o mundo. Descobertas como esta expandem os limites de nossa compreensão da vida e o Professor Bill Rutherford e a equipe da Imperial devem ser parabenizados por revelar uma nova perspectiva sobre um processo tão fundamental. & # 8221


Unlocking secrets of photosynthesis

A researcher at the University of Essex has uncovered secrets about a protein which could help feed the growing global population.

Professor Christine Raines,, working with scientists at the Carl R Woese Institute for Genomic Biology Photosynthesis at the University of Illinois investigated the protein CP12, which could boost crop yields in the future.

Photosynthesis is one of the most complicated and important processes responsible for kick-starting Earth’s food chain. While researchers have modeled its more-than-100 major steps, scientists are still discovering the purpose of proteins that can be engineered to increase yield.

There are three forms of the protein CP12 that regulate the enzymes GAPDH and PRK. The enzymes are the workhorses while CP12 holds the reins. CP12 tells them to get to work when there’s light and reins them in when it’s dark.

“CP12 is an important component because it helps plants respond to changing light levels, for example when the plant is shaded by a leaf or cloud,” said first author Dr Patricia Lopez, a postdoctoral researcher for Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) who led the research. “CP12 stops the activity of the enzymes within seconds but without CP12, it will take several minutes to slow the activity, costing the plant precious energy.”

Published in the Journal of Experimental Botany, Lopez and co-authors found not all CP12 enzymes are created equal. In fact CP12-3 is not part of this process—whereas CP12-1 and CP12-2 are in charge and can cover for each other. Get rid of all three, and the plant can’t photosynthesize efficiently, resulting in a drastically smaller plant with fewer, smaller seeds.

In fact, without CP12 to hold the reins, PRK also disappears. “PRK is a vital workhorse that provides the raw materials for the enzyme Rubisco to turn into carbohydrates—the sugars the plant uses to grow bigger and produce more yield,” said lead author Professor Raines, a professor of plant molecular physiology.

Agriculture is approaching the limits of the yield traits that drove the remarkable yield increases over the past century, said RIPE Associate Director Don Ort, USDA/ARS scientist and the Robert Emerson Professor of Plant Biology at the Carl R Woese Institute for Genomic Biology. “Improving photosynthesis has the promise of being the next frontier to dramatic boost crop yields, and for the first time there is both a molecular understanding of photosynthesis and powerful technological tools to make engineering photosynthesis a realistic and attainable goal.”

The paper 'Arabidopsis CP12 mutants have reduced levels of phosphoribulokinase and impaired function of the Calvin–Benson cycle' is published by the Journal of Experimental Botany. Co-authors include Amani Omar Abuzaid and Professor Tracy Lawson.

Realising Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) is an international research project engineering plants to more efficiently turn the sun’s energy into food to sustainably increase worldwide food productivity. The RIPE project is supported by the Bill and Melinda Gates Foundation.

The Carl R. Woese Institute for Genomic Biology advances life sciences research through interdisciplinary collaborations within a state-of-the-art genomic research facility at the University of Illinois.


Assista o vídeo: Biologia - Bioenergética: Fotossíntese I - fase clara (Agosto 2022).