Biólogos encargados de ciertos experimentos en el Space Shuttle (la Lanzadera Espacial) podrían estar un poco más cerca de comprender el funcionamiento del mayor recolector de energía en la tierra: una proteína presente en las plantas verdes llamada Photosystem I.

Un equipo de investigación alemán ha presentado recientemente los resultados de sus experimentos diseñados para cristalizar las moléculas Photosystem I en el Space Shuttle.

Créditos de la foto: Departamento de Energía, Daniel Peck

Durante la fotosíntesis, las células vegetales experimentan dos reacciones simultáneas cada una de ellas con un tipo diferente de proteína. Las moléculas de proteína Photosystem I usan la energía contenida en la luz del sol para transformar el dióxido de carbono en carbono y oxígeno. Esto provee de alimento a la planta en forma de carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos - los bloques básicos de la vida. Por otro lado, las moléculas de la proteína Photosystem II usan esta misma energía para separar el agua en hidrógeno y oxígeno que la planta usa para respirar.

Durante la fotosíntesis, las células vegetales experimentan dos reacciones simultáneas cada una de ellas con un tipo diferente de proteína. Las moléculas de proteína Photosystem I usan la energía contenida en la luz del sol para transformar el dióxido de carbono en carbono y oxígeno. Esto provee de alimento a la planta en forma de carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos - los bloques básicos de la vida. Por otro lado, las moléculas de la proteína Photosystem II usan esta misma energía para separar el agua en hidrógeno y oxígeno que la planta usa para respirar.

el complejo mapa de las posiciones atómicas de una molécula de Photosystem I, del Brookhaven National Laboratory Protein Databank (Banco de Datos de Proteínas del Laboratorio Nacional de Brookhaven), y del Image Library of Biological Macromolecules (Libreria de imagenes de Macromoléculas Biológicas), Jena, Alemania.

Los investigadores cristalizan las moléculas de estas proteínas para poder estudiar la complejidad de sus estructuras internas. Debido a que las moléculas son demasiado pequeñas para estudiarlas directamente con la ayuda de un microscopio, se usa la difracción de rayos X para obtener una imagen de la molécula.

Los rayos X, al pasar a través de una estructura cristalina, producen un patrón de interferencia que es una especie de negativo. Si se imagina la sombra que produce una valla de jardín - la forma de la sombra mostraría si las tablas de la valla son rectangulares o poseen otra forma. De una manera parecida, los rayos X al pasar a través de una proteína indican la forma de esta, dónde se localiza y, finalmente, cómo debe funcionar.

Para la difracción por rayos X se necesitan cristales de alta calidad - compuestos de unidades ordenadas y repetidas de una proteína en particular. Alguno de los cristales que se han hecho crecer en condiciones de microgravedad en el espacio están ordenados de una manera mucho más perfecta que los cristales que se han hecho crecer en la superficie de la tierra. La microgravedad puede afectar también a la tasa con que las proteínas inician nuevos crecimientos. Los cristales espaciales han mostrado un volumen de 10 a 20 veces superior al conseguido por sus homólogos terrestres.

en el entorno de microgravedad del Space Shuttle, los investigadores han sido capaces de hacer crecer cristales macromoleculares con una gran precisión. De esta manera, usando un proceso llamado "X-ray crystallography" (Cristalografía de rayos X), pueden crear un mapa de la estructura de las proteínas y aumentar el conocimiento que tienen sobre como funcionan. Más información.

Las moléculas de la proteína Photosystem I, a veces llamada 'la central energética de la tierra', fue analizada por un equipo de investigadores del Max Volmer Institute for Biophysical Chemistry and Biochemistry (Instituto Max Volmer para la Química Biofísica y Bioquímica) de Berlín, Alemania. El equipo explicó sus resultados en su Informe Final publicado a partir de la misión Life and Microgravity Spacelab (Laboratorio Espacial de Vida y Microgravedad). El equipo espera que esos resultados den a los cientificos un conocimiento más detallado de la forma de la molécula Photosystem I, sus posiciones atómicas exactas y sus funciones biológicas. A esto hay que añadir que, usando los resultados de los experimentos, los investigadores tambien podrán mejorar las condiciones de cristalización aquí en la Tierra.

La plantas verdes usan las proteínas Photosystem para capturar y usar la energía de la luz solar. Créditos de la foto: Department of Energy, Daniel Peck.

El medio ambiente de la Tierra - desde el bosque pasando por las praderas hasta los océanos - son productos directos de las moléculas de proteínas Photosystem. Desde el comienzo de la vida, las procesos de estas moléculas en las algas alteraron completamente la atmósfera, transformando un medio ambiente rico en dióxido de carbono en uno rico en oxígeno.

Las dos proteínas del Photosystem son las encargadas de mantener el equilibrio entre el agua y la temperatura y entre el oxigeno y el dióxido de carbono. También suplen de nutrientes a prácticamente cada uno de los seres vivos del planeta. Muchos de los organismos de la Tierra reciben su sustento directamente o indirectamente de la vegetación fotosintética. Sin las moléculas del Photosystem, la vida tal y como la conocemos dejaría de existir.

Los experimentos en el espacio fueron realizados sobre unos organismos muy antiguos llamados cianobacterias, también conocidos como algas o bacterias azul verdosas. Como familia, esos organismos forman la base fundamental de toda la red alimentaria marina y a menudo se las conoce como 'el césped del mar'. Esos tempranos ancestros de las células de las plantas modernas (cloroplastos) fueron los primeros organismos oxigénicos terrestres en convertir la luz en energía. La proteína de las cianobacterias usadas en la investigación espacial, de la especie Synechococcus Elongatus, se encuentra hoy de manera abundante. Esta representa más de la mitad del total de la productividad de la biomasa de todos los entornos oceánicos abiertos y puede procesar hasta un 50 por ciento del exceso de gases de efecto invernadero de dióxido de carbono implicados en el actual debate sobre el calentamiento global.

Las algas de los océanos de la Tierra Primigenia transformaron la atmósfera. Créditos de la foto: Department of Energy, David Parsons.

Quemar combustibles con alto contenido en carbono como el petróleo es lo que produce la mayor parte de ese exceso en dióxido de carbono. Este proceso es el que actualmente suple la mayoría de las necesidades energéticas del mundo pero las reservas se están agotando rápidamente. Se están buscando fuentes de combustible no contaminantes alternativas para reemplazar al petróleo y al carbón. En los años 70, la energía solar - una fuente de energía limpia e ilimitada - parecía ser la alternativa más prometedora. Sin embargo, aprovechar la energía del Sol ha sido algo mucho más complicado de lo que se pensaba inicialmente. Para generar suficiente energía se necesitan paneles solares excesivamente grandes y a esto hay que añadir el hecho de donde conseguir energía una vez que el sol se ha puesto.

Las investigaciones en el Space Shuttle están intentando descubrir que propiedades de las proteínas fotosintéticas son las que permiten la conversión de la energía solar. Mientras que los humanos sólo hemos dedicado unas pocas décadas al desarrollo de la tecnología solar, las plantas han perfeccionado la suya durante miles de millones de años. Mediante el estudio de como las plantas realizan esta notable hazaña, los investigadores esperan algún día desarrollar sistemas que usen la luz como fuente de energía. Identificando y estudiando las características del metabolismo de las proteínas quizás algún día se podrán usar para la prevenir la contaminación y para la limpieza del medio ambiente.

Conociendo el Código

Un sistema fotovoltaico de silicio cristalino de 210 Kilowatios de potencia provee de energía solar a la ciudad de Sacramento (California). Créditos de la foto: Department of Energy/Sacramento Municipal Utility District (Departamento de Energía/Distrito de Utilidad Municipal de Sacramento).

Muchas preguntas esenciales de biología dependen del conocimiento de la estructura de proteínas y enzimas. Mediante el cartografiado de su forma, los investigadores pueden determinar como funcionan las moléculas. Pero esas moléculas pueden también cambiar de forma cuando realizan funciones importantes, como llevar oxígeno en la hemoglobina sanguínea. En la fotosíntesis, hay muchos pasos en la conversión de la luz del sol en desarrollo y crecimiento de la planta.

Algunas estimaciones sugieren que la biología humana depende de la acción de cerca de medio millón de enzimas y proteínas. Pero nosotros sólo tenemos una imagen tridimensional de la forma y función de menos del uno por ciento de esos complejos químicos. Desde 1984, el Space Shuttle ha portado experimentos para determinar la estructura de moléculas biológicamente importantes. Estas investigaciones han recopilado resultados para una gran cantidad de enfermedades humanas, desde Insulina para el control de la diabetes a la enzima Transcriptasa Inversa que, cuando se bloquea, inhibe la infección del VIH.

Igual que en las células humanas, las proteínas Photosystem son traducidas desde aminoácidos en el interior de las células vegetales. Los aminoácidos tienen un alfabeto de 20 letras para cada unos de los 20 aminoácidos existentes (mostrados abajo como AAs). Esos aminoácidos son a su vez traducidos desde complejos vectores de ácidos nucleicos del ADN (codificados con las letras A,G,T y C). Una descripción del código molecular tiene el aspecto de un mensaje cifrado:
AAs =FFLLSSSSYY**CC*WLLLLPPPPHHQQRRRRIIIMTTTTNNKKSSRRVVVVAAAADDEEGGGG empieza = ---M---------------M------------MMMM---------------M------------

Base1 = TTTTTTTTTTTTTTTTCCCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAAAAGGGGGGGGGGG
GGGGG Base2 = TTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCC
CAAAAGGGG Base3 = TCAGTCAGTCAGTGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGT
CAGTCAGTCAG...

Queda mucho trabajo por hacer para descubrir la forma y para detallar la manera en que las moléculas Photosystem consiguen su eficiencia al aprovechar la energía. Usando los resultados conseguidos en los experimentos en la lanzadera espacial, quizás algún día podremos entender con detalle como se producen estas transformaciones. Este tipo de experimentos hacen posible el estudio de proteínas que se habían resistido a una disección a nivel molecular o atómico.

Proyecto Vida en el Límite

Una buena ilustración de como la fotosíntesis proporciona equilibrio medioambiental es el terrarium. Una jarra sellada con una cuidadosa y equilibrada mezcla de organismos fotosintéticos puede sostenerse por si misma durante largos periodos de tiempo sin intercambiar nutrientes ni gases con el exterior. Este tipo de terrarium microbiológico puede mantener su equilibrio ecológico casi indefinidamente sin ningún tipo de cuidado o mantenimiento.

El secreto de esta autosuficiencia es que estos organismos fotosintéticos de color verde o púrpura generan su propia fuente de vida a partir de la energía de la luz. Esta habilidad les permite dividirse y multiplicarse de manera estable. El proyecto de la NASA 'Life on the Edge' (Vida en el Límite) experimenta con alguno de los límites a este asombroso comportamiento. Después de encerrar diferentes mezclas de biomasa verde en recipientes estancos, estos organismos se congelan con un potente congelador hasta -80º Centígrados (unos -112 grados Fahrenheit), temperatura que excede el invierno antártico más frío (que es de -44.5º C o -48º F). Después de esto, los recipientes se abren y los investigadores hacen crecer estos organismos en un medio nutritivo para determinar su viabilidad. Algunos de estos ecosistemas se han conseguido revivir después de estar congelados a estas temperaturas y han continuado creciendo de una manera totalmente normal.

Vida Embotellada

La imagen de la izquierda muestra un terrarium cerrado que estabiliza el equilibrio natural entre las poblaciones microbianas fotosintéticas. Los nutrientes se consiguen de la reducción de los residuos biológicos (la broza y la hierba en descomposición que se observa) que comienza con la captación microbiana de energía solar. Tras 5 meses de exposición al sol, se toma una pequeña muestra y se sitúa en un pequeño contenedor sellado, el cual es congelado durante otros dos meses. Después de este tiempo, se descongela y se sitúa de nuevo bajo la luz del sol. Una muestra que se vuelve verde-amarronada indica actividad fotosintética - vida rejuvenecida a partir de la energía solar y las proteínas Photosystem I de los microbios. La imagen de la derecha muestra este rejuvenecimiento de la disolución de las poblaciones fotosintéticas tras la congelación.

Una de las tareas del projecto de la NASA Life on the Edge (Vida en el Límite) es demostrar como un sistema cerrado a los nutrientes pero abierto a la energía de luz solar puede ser un sistema auto sostenido. Observando a estos microbios tan adaptables y amantes de lo extremo en entornos tan severos, los investigadores esperan conseguir una comprensión más profunda de hasta que punto la envoltura ambiental puede forzarse y aún sostener la vida. Esto puede ayudarnos a determinar si la vida puede permanecer de manera viable después de largas exposiciones a la duras condiciones de el espacio exterior.